ساده سازی تولید قطعات فلزی برای احیای صنعت آمریکا | اخبار MIT

ایالات متحده پیشرو جهانی در ریخته‌گری فلز بود، فرآیندی که در آن فلز داغ مایع در قالب ریخته می‌شود تا به شکل دلخواه جامد شود. اما بیش از 70 درصد تاسیسات ریخته گری فلز آمریکا از زمان اوج صنعت در دهه 1950 بسته شده است. امروزه، چین و هند بر تولید جهانی ریخته‌گری فلز مسلط هستند، که برای ساخت اجزای موتورهای جت، توربین‌های هسته‌ای و گاز، دستگاه‌های پزشکی و غیره حیاتی است.

فابری در تلاش است تا ریخته گری فلز آمریکا را احیا کند. این شرکت که توسط استیون دیویس ’24 تاسیس شد. توماس کول ’91، MBA ’13; و Pieter Coulier، در حال ساخت نوع جدیدی از ریخته گری ریخته گری فلز است که از ساخت افزودنی، نرم افزار و ادغام عمودی برای حذف بسیاری از سخت ترین مراحل مرتبط با ریخته گری فلزات سنتی استفاده می کند.

فابری در حال حاضر در کارخانه 16000 فوت مربعی خود در بیلریکا، ماساچوست، قطعاتی را برای لیست رو به رشد مشتریان تولید می کند، جایی که رویکرد خود را برای یکی از چند رشته ای ترین و چالش برانگیزترین انواع ریخته گری فلز، به نام ریخته گری سرمایه گذاری، به کار می گیرد. این شرکت از جمله با Raytheon، Lockheed Martin و Sikorsky Aircraft کار می کند و در حال انجام مراحل صلاحیت برای ساخت قطعات برای حیاتی ترین کاربردهای هوافضا و دفاعی است.

اولین ریخته گری فابری به گونه ای طراحی شد که به سرعت تکرار شود. حتی با وجود افزایش قابل توجه ظرفیت در کارخانه فعلی خود، تقاضا از سوی مشتریان شرکت را به سمت ساخت تاسیسات بسیار بزرگتر در سال 2027 سوق می دهد که با حرکت برنامه های مشتری به سمت تولید، قطعات بزرگتر را با حجم بالاتر تولید خواهد کرد.

دیویس می گوید: «ریخته گری فلزات یکی از قدیمی ترین و رایج ترین روش های تولید در جهان است. “این یک فرآیند منحصر به فرد دشوار است زیرا مراحل بسیار متفاوتی وجود دارد. دانش و تجربه بسیار زیادی در حوزه وجود دارد که باید آن را درک کنید. اگر ما از ظرفیت ریخته‌گری در جهان محروم شویم، به این معنی است که دیگر هیچ قابلمه و ماهیتابه‌ای، تخلیه طوفان و سایر چیزهای اساسی دیگر وجود ندارد، بلکه دیگر هواپیما وجود ندارد. بسیاری از دستگاه‌های پزشکی، مانند ایمپلنت‌های تیتانیومی، به قطعات فلزی بسیار مهم نیاز دارند. برای تولید.»

تولید سریعتر فلز

دیویس با شرکت در مسابقات روباتیک مانند BattleBots بزرگ شد. بزرگ‌ترین چالش برای تیم‌های کوچک و کم‌هزینه‌اش، تهیه قطعات ساخت ربات‌ها بود.

دیویس در سال 2020 وارد MIT شد و در آنجا در رشته مهندسی مکانیک تحصیل کرد. او به عنوان بخشی از یک دوره کارآموزی تابستانی پس از سال دوم، در Relativity Space که موشک‌های قابل استفاده مجدد می‌سازد، کار کرد. در آنجا او دید که پروژه های چند میلیون دلاری به دلیل همان موانعی که او در مسابقات روباتیک با آن روبرو بود به تعویق افتاد. تیم او هفته ها منتظر ماشین های گران قیمت برای ساخت قطعات بودند.

دیویس می گوید: «من متوجه شدم که مشکل مقیاس است. «این فرآیندهای تولید حتی نمی‌توانستند در مقیاس هوافضا باشند، بنابراین قرار نبود برای صنایع بسیار بزرگ‌تر توسعه یابند.»

وقتی دیویس پاییز آن سال به MIT بازگشت، روی تطبیق دقت و انعطاف پرینت سه بعدی برای تولید قطعات فلزی کار کرد. دیویس همچنین چندین کلاس را که توسط جان هارت، استاد کلاس MIT در سال 1922 و رئیس دپارتمان مهندسی مکانیک تدریس می شد، گذراند. هارت چندین شرکت تولید کننده مواد افزودنی از جمله VulcanForms و Desktop Metal را تأسیس کرد. او همچنان به مشاوره فابری ادامه می دهد.

دیویس به یاد می آورد: «من بسیار علاقه مند به یافتن بهترین کاربردهای تولید افزودنی بودم. بسیاری از موفق‌ترین شرکت‌ها قطعات پایانی نمی‌ساختند، آنها ابزار می‌ساختند. نمونه مورد علاقه من Invisalign است. آنها خط‌های دندانی را چاپ نمی‌کنند: آنها قالب‌هایی را چاپ می‌کنند که تراز کننده‌ها را می‌سازند.

دیویس تقریباً در اواسط دوره لیسانس خود در MIT به فکر راه اندازی یک شرکت افتاد. او کول را از طریق شبکه MIT خود ملاقات کرد. کول یک شرکت ماشین‌کاری کاملاً خودکار CNC در ساخت ایمپلنت‌های دندانی تأسیس کرده بود که توسط AstraZeneca خریداری شد. پیتر کولیه، سومین بنیانگذار فابری، قبلا الگوریتم های شبیه سازی و چاپ سه بعدی فلزی را در Velo3D توسعه داده بود که موتورهای رپتور اسپیس ایکس را قادر به چاپ کرد.

دیویس همچنین شروع به بازدید از ریخته‌گری‌ها کرد، جایی که بارها شنیده بود که بزرگترین گلوگاه آنها کار است.

دیویس می‌گوید: «همه آن‌ها تابلوهای بزرگ «کمک تحت تعقیب» در جلو دارند. “ظرفیت در حال کاهش است. به همین دلیل متوجه شدیم که اتوماسیون باید بخش اصلی پایان نامه ما باشد. طبق گفته انجمن ریخته گری آمریکا، این کارگران با نرخ 3 به 1 بازنشسته می شوند. یافتن این مهندسان ریخته گری که بفهمند در این فرآیند چه می شود و بتوانند این قالب ها را طراحی کنند، واقعاً سخت است. ما مشتریانی داریم که به ما می گویند بازنشسته می شوند و اکنون می خواهیم قطعات خاصی را بسازیم که می توانند دوباره یاد بگیرند. برای همیشه در نرم افزار ما کدگذاری شود.”

ریخته گری سرمایه گذاری یک فرآیند پیچیده و چند مرحله ای است.

دیویس توضیح می دهد: “ریخته گری سنتی سرمایه گذاری با بریدن یک ابزار سخت از فولاد شروع می شود.” سپس الگوهای موم قالب را داخل آن تزریق می‌کنید. آن قسمت‌های موم به هم می‌چسبند که به درخت معروف است. سپس درخت را در مایعی که حاوی پودر سرامیک است فرو می‌کنید، آن را با ماسه گچ‌کاری می‌کنید، آن را خشک می‌کنید و این فرآیند را هفت یا هشت بار تکرار می‌کنید.

فرآیند Fabri با فایل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) قطعه شروع می شود. نرم افزار اختصاصی این شرکت، FoundryOS، یک الگو برای هر قسمت طراحی می کند که فابری با استفاده از تکنیک های شناخته شده از جمله پردازش نور دیجیتال (DLP) و استریولیتوگرافی، آن را در رزین چاپ می کند. الگوی چاپ شده در دوغاب سرامیکی فرو می‌رود تا پوسته‌ای ساخته شود که فلز مذاب درون آن ریخته می‌شود. FoundryOS داده‌ها را از هر مرحله ترکیب می‌کند و از مدل‌های یادگیری ماشین برای بهبود فرآیند و قطعات با هر ریخته‌گری استفاده می‌کند.

دیویس توضیح می‌دهد: «با چاپ آن قالب از روی خفاش، نیاز به تمام مراحل اولیه را از بین می‌بریم. “ما به طور کامل ایجاد را خودکار می کنیم [complex patterns and channels] برای ساختن آن درخت لازم است در عوض، ما همه آن را در یک تکه چاپ می کنیم و بسیاری از آن کارها را ادغام می کنیم.»

دیویس می‌گوید ابزارآلات سنتی می‌تواند بیش از 1 میلیون دلار برای طرح‌های پیچیده به‌اندازه کافی هزینه داشته باشد و ساخت آن ماه‌ها طول می‌کشد – دلیل بزرگی است که شرکت‌ها باید برای قطعات طولانی منتظر بمانند.

دیویس اولین نمونه اولیه چاپگر فابری را در زیرزمین برادری MIT خود با استفاده از سرمایه صندوق نوآوری MIT Sandbox ساخت. پس از اجاره فرعی فضایی در اشلند، ماساچوست، فابری در عرض شش ماه در حال ریختن فلز بود. امروزه، او می‌گوید که رویکرد Fabri همچنین پردازش پس از آن را کاهش می‌دهد و از افزایش انعطاف‌پذیری پرینت سه‌بعدی سود می‌برد، که به Fabri اجازه می‌دهد تا در چند روز روی قطعات تکرار شود.

دیویس می‌گوید: «آنچه که واقعاً به ریخته‌گری‌های سنتی آسیب می‌زند این است که طرحی را وارد تولید می‌کنند، ابزار می‌سازند، ابزاری را برش می‌دهند، و وقتی اولین قطعه خود را دریافت می‌کنند، متوجه می‌شوند که مشکلی وجود دارد. “سپس آنها باید دوباره آن را کار کنند یا آن را تعمیر کنند. آنها مایلند ابزارسازی را در این فرآیند تعمیر کنند، اما نمی توانند زیرا آنها هزینه زیادی برای ابزار صرف کردند و شش تا نه ماه برای آن صبر کردند.”

تقویت یک صنعت

فابری اولین کارخانه ریخته گری خود را در اشلند در سال 2025 افتتاح کرد و تولید را در بهار 2026 به بیلریکا منتقل کرد. دیویس می گوید که این شرکت می تواند در عرض یک هفته از دریافت طرح به تولید قطعه نهایی برسد. Fabri در حال ساخت قطعاتی از آلومینیوم، آلیاژهای مس و فولاد ضد زنگ است که عمدتاً برای مهمات، هوانوردی و کاربردهای دریایی است. در اوایل سال 2027، این شرکت قصد دارد ریخته‌گری سوپرآلیاژهای نیکل را آغاز کند، فلزاتی که در پره‌های توربین استفاده می‌شوند و در حال حاضر می‌توانند زمان انتظار چهار ساله داشته باشند.

فرآیند این شرکت همچنین هندسه‌های پیچیده و توپولوژی‌های ارگانیکی را امکان‌پذیر می‌کند که ابزار سخت نمی‌تواند تولید کند.

دیویس می گوید: «ما در حال ساختن نرم افزاری هستیم که می تواند این قطعات را هوشمندتر و سریعتر بسازد. واجد شرایط بودن برای تولید هوافضا با شرکتی مانند Raytheon واقعاً کار بزرگی است. بیشتر استارت آپ ها و شرکت های چاپ سه بعدی که می شناسیم این کار را انجام نداده اند. توانایی ما از افتتاح اولین تاسیسات خود در سال 2025 به تولید اکنون با برخی از مهم ترین پلت فرم های کشور نقطه عطفی است. کشور نیاز دارد.»