CEO Digital Alloys Данкан Маккаллюм о технологии Joule Printing и будущем металлической 3D-печати

Рост металлической 3D-печати за последний год хорошо задокументирован. С появлением новых игроков на рынке Digital Alloys — одна из компаний, движущих эту эволюцию. Основанная в 2017 году, Digital Alloys разработала запатентованную технологию Joule Printing для высокоскоростного металлического аддитивного производства. Технология обещает более высокие скорости печати, низкие затраты и высокое качество деталей, сравнимое с традиционным производством. Успешное привлечение $12,9 млн в раунде серии B в этом году подтверждает, что компания на пути к изменению рынка металлической 3D-печати.

Мы поговорили с CEO Digital Alloys Данканом Маккаллюмом, чтобы узнать больше о Joule Printing и его видении будущего металлической 3D-печати.

Digital Alloys недавно вышли в заголовки новостей с сообщением о двух новых патентах на технологию Joule Printing. Можете объяснить, как работает технология?

Начнем с решаемой проблемы: сегодня просто нет многих хороших вариантов, если вы хотите использовать 3D-печать для производства. Это связано с тем, что системы слишком медленные, производственные затраты слишком высоки, а процессы — слишком сложны. Это затрудняет получение стабильно высококачественных металлических деталей.

Мы решаем эти проблемы через Joule Printing. Технология использует проволоку, которая дешевле порошка и других материалов. Проволока помещается в систему точного перемещения с точной подачей. Кончик проволоки перемещается в точку на детали, где нужно начать линию печати, чтобы он соприкасался с деталью. Затем кончик расплавляется за счет пропуска тока через проволоку в деталь в точке контакта. В физике это называется сопротивлением нагревом или жулевым нагревом — как спираль в тостере.

Каковы преимущества технологии Joule Printing?

При жулевом нагреве металл нагревается изнутри. Поскольку нет тепловой постоянной времени, металл можно нагреть очень быстро с очень низкими энергозатратами. Это означает отсутствие термодинамического скоростного ограничения; мы можем печатать со скоростью, с которой можем перемещаться точно и аккуратно. Наша цель — 5 или 10 кг/час к концу года. Благодаря очень высокой скорости и низкой стоимости сырья общие производственные затраты значительно снижаются.

Кроме того, можно точно измерять, что происходит в ванне расплава — вы точно знаете, где она находится, сколько металла в нее попадает и сколько тепла подается. Мы используем все эти параметры для управления в реальном времени — это жесткая система с закрытым контуром, а также собираем данные процесса для автономного анализа.

Результат — система, способная печатать металл на экстремально высокой скорости и высоком качестве, достаточно дешево, чтобы быть дешевле традиционного производства во многих приложениях.

Как Joule Printing соотносится с другими системами металлического аддитивного производства на рынке?

Есть 3 другие категории технологий для рассмотрения. Первая, самая популярная — порошковое наплавление в слое (powder-bed fusion). Металлический порошок наносится тонким слоем и расплавляется лазером или электронным лучем.

Проблема порошкового наплавления в том, что порошки очень дорогие и многое теряется в процессе, что ведет к очень высоким материальным затратам. Вы также ограничены по скорости расплава порошка: поскольку нагрев идет сверху вниз, нужно ждать, пока тепло пройдет через порошок. Это почти как запекание индейки — процесс, который всегда занимает пару часов. Нельзя ускорить большим теплом, иначе сгорит снаружи. Аналогично, в порошковом наплавлении вы просто испарите порошок. В целом это довольно дорогой и сложный способ изготовления детали.

Вторая категория — связующее струйковое печатание (Binder Jetting). Системы Binder Jetting решают проблему скорости. Они используют порошок низшего сорта, поэтому он дешевле, но материал все равно намного дороже проволоки. Системы распыляют клей слой за слоем, создавая так называемую «зеленую деталь». Зеленая деталь обычно содержит 20% клея. Клей затем удаляется химической ванной, а деталь помещается в печь для спекания. Надеясь, что деталь усадится на 20%, чтобы получить полную прочность и плотность металла.

Этот процесс неплохо работает для маленьких тонких деталей (меньше бейсбольного мяча). Но если стенки детали толще примерно 1 см, нельзя усадить до полной плотности, потому что нельзя передать достаточно тепла внутрь детали. Кроме того, попытка усадить толстые стенки на 20% — это большое изменение размеров, поэтому трудно сохранить размерную точность. Итог: эта технология не работает хорошо для деталей со стенками толще 1 см или для крупных деталей.

Третья категория — прямое энергетическое наплавление (Direct Energy Deposition), особенно системы на базе проволоки. Хотя эти системы используют проволоку, это обычно толстая проволока, típicamente 3 мм в диаметре. Затем расплавляют проволоку лазером, электронным лучом или дугой, как при дуговой сварке.

Хотя эти системы могут достигать довольно высоких скоростей печати, проблема в разрешении. Поскольку металл капает или распыляется в линию печати, получается линия печати, намного толще проволоки. Это означает, что можно печатать только грубые детали с низким разрешением. Кроме того, геометрия детали ограничена, потому что трудно печатать нависающие области, когда расплавленный металл капает или распыляется. Оборудование DED также обычно дорогое, потому что нужно много энергии, чтобы расплавить металл таким образом. Поэтому эти системы обычно используются для очень больших деталей, размером с фюзеляж самолета, но не совсем подходят для высоких требований к разрешению.

Так что импульс за технологией Joule Printing был решить все эти проблемы?

Да. Решить проблемы скорости, производственной стоимости и качества.

Помимо проблем скорости, стоимости и качества деталей, какие еще вызовы стоят перед компаниями, желающими внедрить металлическую 3D-печать для производства?

Есть вопрос о том, чтобы быть внимательным к тому, какие технологии лучше подходят для каких приложений. Важно четко понимать, какую проблему вы решаете, и выбирать правильный инструмент для ее решения.

Это как в традиционном производстве: не каждая металлическая деталь делается одинаково. Некоторые вещи обрабатываются резанием, другие — ковкой, штамповкой или литьем. Нет универсального подхода для каждой проблемы. Металлическая 3D-печать — то же самое.

Как вы видите эволюцию металлической 3D-печати в ближайшие 5 лет?

Если сегодня металлическая 3D-печать — это примерно 2-миллиардная индустрия, я предвижу, что через 5 лет она станет 30-миллиардной индустрией.

Это благодаря трем огромным преимуществам 3D-печати: во-первых, можно сэкономить много времени, потому что можно перейти прямо от дизайна к детали без изготовления оснастки. Во-вторых, можно достичь интересных геометрий, которые невозможны никаким иным способом с традиционным производством. В-третьих, если выбрать правильную технологию для правильного приложения, можно сильно снизить производственные затраты.

Какую роль сыграет Digital Alloys в этой эволюции?

Digital Alloys сыграет огромную роль. Мы дешевле традиционного производства для очень большой категории деталей. Это значит, что можно использовать нашу технологию для сокращения производственных затрат без перепроектирования детали или других изменений. И это очень привлекательно для клиентов.

На какие отрасли вы нацеливаетесь с Joule Printing?

Мы начинаем как поставщик напечатанных деталей, с целью поставки наших принтеров в начале 2020 года. В первых приложениях мы фокусируемся на областях, где можем сократить производственные затраты относительно традиционного производства. Это особенно верно для деталей, обрабатываемых из металлов, которые трудно резать, таких как титан, инструментальная сталь, никелевые сплавы и нержавеющая сталь.

Joule Printing позволяет печатать деталь, близкую к готовой форме, устраняя отходы и черновую обработку, что дает большую экономию. Один пример — титановые детали для авиации, медицинских приборов и судостроения. Второе приложение — оснастка, так как инструментальные стали очень трудно резать. Но с 3D-печатью можно добавить каналы охлаждения в инструменты, например, вставку для литья под давлением с внутренними каналами охлаждения, позволяющими быстрее охлаждать инструмент и сокращать время цикла. Наши клиенты для этого — автопром, товары народного потребления и авиация.

глядя на аддитивное производство, есть тренд, который вас больше всего волнует?

Переход от прототипирования к производству. Это определенно самый большой тренд сейчас.

Как выглядит будущее Digital Alloys?

Мы будем строить наш первый завод в 2019 году. Работая в производстве, не только технология важна. Нужно знать, как нанимать и обучать операторов, строить цепочку поставок, как делать контроль качества, сертификацию, обеспечивать регуляторное одобрение и так далее. Мы сделаем это первыми, облегчая путь нашим клиентам. После этого планируем начать поставку наших принтеров в начале 2020 года.

Подробнее о Digital Alloys на https://www.digitalalloys.com/.