apple stories
Apple zet een stap in de toekomst met Apple Watch-kasten van 3D-geprint titanium
Het begon als een onwaarschijnlijk idee: Wat nu als we 3D-printtechnieken – die oorspronkelijk vooral worden toegepast voor het maken van prototypen – zouden gebruiken voor het produceren van miljoenen identieke behuizingen van hoogwaardig gerecycled metaal, allemaal volgens de strenge designeisen van Apple?
“Het bleek al snel meer dan een idee te zijn. Het was een gedachte die om realisering smeekte”, aldus Kate Bergeron, Vice President Product Design bij Apple. “We hadden onszelf die vraag nog niet gesteld, of de eerste tests werden al uitgevoerd. Wat volgde was een stroom aan prototypes, eindeloze procesoptimalisaties en een onvoorstelbare hoeveelheid data – allemaal om aan te tonen dat deze technologie zou kunnen voldoen aan de hoge eisen die we onszelf stellen.”
Dit jaar worden de kasten van Apple Watch Ultra 3 en de titanium kasten van Apple Watch Series 11 gemaakt met 100 procent gerecycled 3D-geprint hoogwaardig titaniumpoeder. Het is voor het eerst dat dit op zo’n grote schaal mogelijk is. Iedereen binnen Apple heeft zich ingezet om deze ambitie te verwezenlijken. De gepolijste afwerking van de Series 11 moest smetteloos zijn. De Ultra 3 moest nog net zo licht en stevig zijn om elke dag mee op avontuur te kunnen. Beide Watches moesten bovendien beter voor de planeet zijn, zonder in te boeten op prestaties. Ook moesten de gebruikte materialen minstens net zo goed zijn.
“Bij Apple heeft elk team het milieu als kernwaarde”, aldus Sarah Chandler, Vice President Environment & Supply Chain Innovation bij Apple. “We wisten dat er met 3D-printen een enorme winst te behalen was op het gebied van materiaalefficiëntie, wat absoluut onmisbaar is voor Apple 2030.”
Apple 2030 is het ambitieuze doel om aan het einde van dit decennium volledig CO₂-neutraal te zijn, dus ook binnen de productietoeleveringsketen en de levensduur van onze producten. Inmiddels is alle elektriciteit voor de productie van Apple Watch al afkomstig van hernieuwbare energiebronnen als wind en zon.
Bij 3D-printen wordt een voorwerp gemaakt door steeds een laagje toe te voegen, tot het zo dicht mogelijk bij de definitieve vorm ligt. Van origine wordt bij het frezen van gesmede metalen onderdelen juist extra materiaal geproduceerd, wat er vervolgens af wordt geschaafd. Dankzij deze nieuwe benadering kunnen de Ultra 3 en de titanium kasten van de Series 11 gemaakt worden met slechts de helft van het ruwe materiaal dat voor eerdere generaties nodig was.
“Een vermindering van 50 procent is een ongelooflijke prestatie: uit het materiaal dat we eerst voor één kast nodig hadden, maken we er nu twee”, legt Chandler uit. “Als je dat doorrekent, kom je uit op een enorme lastenverlichting voor de planeet.”
Naar schatting bespaart Apple met dit nieuwe productieproces alleen dit jaar al ruim 400 ton aan ruw titanium.
De afgelopen tien jaar heeft Apple al verschillende experimenten met 3D-printen uitgevoerd – meteen vanaf het moment dat dat proces ook in andere sectoren opkwam. In ziekenhuislabs kwamen de eerste protheses en kunstorganen uit 3D-printers rollen en buiten de atmosfeer van onze planeet ontdekten astronauten van het International Space Station hoe snel en makkelijk ze onmisbare instrumenten konden 3D-printen.
“We hebben de afgelopen tien jaar goed in de gaten gehouden waartoe deze technologie allemaal in staat is en in die periode zijn de prototypes steeds dichter in de buurt van onze designs gekomen”, aldus dr. J. Manjunathaiah, Senior Director Manufacturing Design Apple Watch & Vision. “Het is altijd onze bedoeling geweest om onze producten met minder materiaal te kunnen maken.n Eerder konden we de cosmetische onderdelen nog niet op grote schaal met een 3D-printer maken. Dus zijn we gaan experimenteren met het 3D-printen van het metaal van die cosmetische onderdelen.”
Voor Apple zijn functionaliteit, esthetiek en een lange levensduur essentieel. Daar komen schaalbaarheid en onze strenge betrouwbaarheid- en prestatietests nog bij, plus de nieuwste ontwikkelingen op materiaalgebied. En dan willen we ook nog op koers blijven voor onze doelstellingen om in 2030 CO₂-neutraal te zijn.
Van boven ziet dit eruit als rijen blokken die dag en nacht uit de grond komen, als witte wolkenkrabbers van Lego. Dit zijn de 3D-printers die hard aan het werk zijn om de titanium kasten van Apple Watch Ultra 3 en Series 11 te maken.
Elke machine is uitgerust met een galvanometer met zes lasers die uit ruim 900 laagjes een kast printen. Maar nog voordat de printers aan de slag kunnen, moet het ruwe titanium eerst tot een poeder verwerkt worden. Hierbij wordt het zuurstofgehalte van het materiaal aangepast om te voorkomen dat het titanium explodeert als het aan een warmtebron wordt blootgesteld.
“Dit is innovatieve materiaalkennis van de bovenste plank”, aldus Bergeron.
“De deeltjes waaruit het poeder bestaat, moesten een diameter van 50 micrometer hebben. Dat is vergelijkbaar met heel fijn zand”, legt Manjunathaiah uit. “Als je een laser op titanium zet, maakt het verschil of er nog zuurstof in zit of niet. Dus moesten we een manier verzinnen om het zuurstofgehalte laag te houden.”
“Om tot de juiste dikte te komen, moest elke laag precies 60 micrometer dik zijn. Dat betekent dat het poeder ook nog eens extreem dun uitgesmeerd moest worden”, voegt Bergeron toe. “We hebben zo snel mogelijk moeten werken om dit proces op grote schaal te kunnen toepassen, en zo langzaam mogelijk om nauwkeurig te kunnen werken. Zo konden we efficient produceren én trouw blijven aan het design.”
Zodra de printers hun werk gedaan hebben, wordt eerst het overtollige poeder met een soort stofzuiger opgezogen. De geprinte kasten zijn al zo dicht bij hun definitieve vorm, dat alle verbindingen voor de behuizing er al in zitten. Dat betekent ook dat er nog poeder in de hoeken en gaten van de kasten kan zitten. Met een ultrasonische schudder wordt dit poeder uit de kasten gehaald.
Vervolgens worden de afzonderlijk kasten losgesneden met een dun stroomdraadje, terwijl er een koelvloeistof wordt aangebracht om de warmte van dit snijproces te minimaliseren. Vervolgens wordt elke kast met een geautomatiseerd optisch inspectiesysteem gemeten, om te zorgen dat de afmetingen en het uiterlijk kloppen. Dit is de laatste controle, waarna de behuizing klaar is voor de afwerking.
“De mechanical engineers zijn extreem goed in het oplossen van ingewikkelde puzzels”, aldus Bergeron. “Ze zorgen dat alle onderdelen die in de kast moeten komen te zitten – de printplaat, het display en de batterij – allemaal een plekje krijgen. We voeren doorlopend tests uit om te zorgen dat de Watches werken. Vervolgens plaatsen we de software en laten we die een tijdje draaien, zodat we zeker weten dat alles aan onze eisen voldoet.”
Een ander belangrijk voordeel van 3D-printen is dat er texturen op plekken geprint kunnen worden die bij gesmede exemplaren niet toegankelijk zijn. Voor Apple Watch betekent dit dat de behuizing van de antenne in Cellular-modellen beter waterdicht is. Aan de binnenkant van de kast hebben de Cellular-modellen een kunststof afscheiding waardoor de antenne werkt. Bij dit nieuwe productieproces heeft Apple een speciale textuur op de binnenkant van het metaal aangebracht, zodat kunststof en metaal nog beter op elkaar aansluiten.
Het is een jarenlang proces geweest om alle stukjes van deze puzzel te leggen. Het begon met een paar demo’s en proofs of concept die vervolgens verder werden uitgewerkt – van de specifieke samenstelling van de metaallegering tot het printen zelf. Na allerlei tests van eerdere productversies op kleine schaal, wist het team zeker dat ze de specifieke uitdagingen van het werken met titanium aan zouden kunnen.
“We proberen altijd kleine stapjes te blijven zetten, om door te kunnen naar de volgende fase”, aldus Bergeron. “Deze innovatie zet de deur open voor nog meer flexibiliteit in het design dan we al hadden. Nu we dit op grote schaal kunnen toepassen – met behoud van onze duurzame werkwijze én onze cosmetische en functionele eisen – zijn de mogelijkheden eindeloos.”
Deze flexibiliteit op het gebied van design maakt ook een innovatie buiten Apple Watch mogelijk: de USB-C-poort op de nieuwe iPhone Air. Uit datzelfde gerecyclede titaniumpoeder is een compleet nieuwe poort 3D-geprint. Zo maakte Apple het extreem dunne en toch stevige design van dat device mogelijk.
Dit geeft aan wat er allemaal mogelijk is als natuurkundige wetten, materiaalinnovatie, revolutionair design en ons milieustreven samenkomen.
“We zijn extreem gemotiveerd om voor systeemverandering te zorgen”, aldus Chandler. “We komen nooit met innovaties die we maar een keer kunnen gebruiken. De veranderingen die goed blijken te werken, voeren we door in ons hele systeem. Onze ultieme doelstelling is altijd geweest om producten te maken die goed zijn voor mens én planeet. Als we samen de schouders eronder zetten om voor innovatie te zorgen die niets afdoet aan design, fabricage en onze milieudoelen, hebben we daar zoveel meer baat bij dan we ons ooit kunnen indenken.”
Deel artikel
Media
-
Tekst van dit artikel
-
Media in dit artikel