Digital Alloys CEO Duncan McCallum over Joule Printing en de toekomst van metalen 3D-productie

De opmars van metalen 3D-printen in het afgelopen jaar is goed gedocumenteerd. Met nieuwe spelers die het markt snel betreden, is Digital Alloys een van de bedrijven die bijdraagt aan deze evolutie. Opgericht in 2017, heeft Digital Alloys zijn gepatenteerde Joule Printing-technologie ontwikkeld voor high-speed metalen additieve productie. De technologie belooft snellere productiesnelheden, lagere kosten en hoogwaardige onderdelen die concurrent kunnen met conventionele productie. Na het succesvol werven van een $12,9 miljoen Series B financieringsrondje dit jaar, lijkt het bedrijf wel op weg om de metalen 3D-printmarkt te disrupteren.

We spraken met Digital Alloys' CEO, Duncan McCallum, om meer te leren over Joule Printing en zijn visie op de toekomst van metalen 3D-printen.

Digital Alloys maakte onlangs Schlagers met de aankondiging van twee nieuwe octrooien voor zijn Joule Printing-technologie. Kunt u uitleggen hoe de technologie werkt?

Eerst begin ik met het probleem dat we oplossen: er zijn simpelweg niet veel goede opties als u 3D-printen voor productie wilt gebruiken. Dit komt doordat systemen te traag zijn, productiekosten te hoog en processen te complex. Hierdoor is het moeilijk om consistent hoogwaardige metalen onderdelen te krijgen.

De manier waarop we deze problemen oplossen is via Joule Printing. De technologie gebruikt draad, wat goedkoper is vergeleken met poeder en andere materialen. De draad wordt in een precisie-bewegingssysteem met precisie-draadvoeding geplaatst. De punt van de draad wordt vervolgens verplaatst naar de plek op het onderdeel waar we een printlijn willen starten, zodat het het onderdeel aanraakt. De punt van de draad wordt dan gesmolten door een stroom door de draad in het onderdeel in contact te laten komen. In de natuurkunde wordt dit weerstandsverhitting of joule-verhitting genoemd – het is als de spoel in een broodrooster.

Wat zijn de voordelen van Joule Printing-technologie?

Wanneer u joule-verhitting gebruikt, verhit u het metaal van binnenuit. Omdat er geen thermische tijdsconstante is, kunt u het metaal erg snel verhit met zeer lage energie. Dit betekent dat er geen thermodynamische snelheidslimiet is; we kunnen printen met de snelheid waarmee we met precisie en nauwkeurigheid kunnen bewegen. Ons doel is 5 of 10 kg/uur tegen eind van het jaar. Met een zeer hoge snelheid en lage grondstofkosten worden de totale productiekosten aanzienlijk verlaagd.

Daarnaast kunt u precies meten wat er gebeurt in het smeltbad – u weet precies waar het is, hoeveel metaal erin gaat en hoeveel warmte wordt toegepast. We gebruiken al deze parameters om het in real-time te controleren, dus het is een strak, gesloten-lus systeem, evenals het vastleggen van procesdata voor offline analyse.

Het resultaat is een systeem dat metaal kan printen met een extreme hoge snelheid en hoge kwaliteit, goedkoop genoeg om goedkoper te zijn dan conventionele productie voor veel toepassingen.

Hoe vergelijkt Joule Printing zich met andere metalen AM-systemen op de markt?

Er zijn 3 andere categorieën van de technologie om te overwegen. De eerste, en meest populaire, is poederbedfusie. Bij poederbedfusie strooit u metalen poeder in een dunne laag en smelt u het met een laser of elektronenbundel.

De uitdaging met poederbedfusie is dat poeders erg duur zijn en er veel verspild wordt in het proces, wat leidt tot zeer hoge materiaalkosten. U bent ook snelheidsbeperkt in hoe snel u het poeder kunt smelten: aangezien u het van bovenaf verhit, moet u wachten tot de warmte door het poeder beweegt. Het is bijna als een kalkoen koken – een proces dat altijd een paar uur duurt. U kunt niet sneller gaan met meer warmte want u zou de buitenkant van de kalkoen verbranden. Op dezelfde manier zou u in poederbedfusie het poeder verdampen. Over het algemeen is dit een tamelijk dure en complexe manier om een onderdeel te maken.

De tweede categorie is Binder Jetting. Binder Jetting-systemen richten zich op het snelheidsprobleem. Ze gebruiken een lager graad poeder, dus het is minder duur, maar het materiaal is nog steeds veel duurder dan draad. De systemen spuiten laag voor laag lijm om wat een "groen deel" wordt genoemd op te bouwen. Een groen deel bestaat typisch voor 20% uit lijm. De lijm moet vervolgens verwijderd worden met een chemisch bad en het onderdeel in een oven gesinterd. Door dit te doen, hoopt u het deel met 20% te laten krimpen om een volle sterkte, volle dichtheid metaal te krijgen.

Dit proces werkt prima voor kleine, dunne onderdelen (kleiner dan een honkbal). Maar als uw deeldiktes dikker zijn dan ongeveer 1 centimeter, kunt u niet naar volle dichtheid krimpen omdat u niet genoeg warmte in het deel kunt transporteren. Ook het proberen om dikke wanden met 20% te laten krimpen is een grote dimensiewijziging, dus het is moeilijk om dimensionele nauwkeurigheid te behouden. Het netto resultaat is dat deze technologie niet goed werkt voor onderdelen met wanden dikker dan 1 centimeter, of voor grotere onderdelen.

De derde categorie die mensen overwegen is Direct Energy Deposition, met name de draad-gebaseerde systemen. Hoewel deze systemen wel draad gebruiken, is dit meestal een dikke draad, typisch 3 millimeter in diameter. U smelt de draad dan met een laser, elektronenbundel of boog, als bij booglassen.

Hoewel deze systemen tamelijk hoge printsnelheden kunnen bereiken, is de uitdaging de resolutie. Aangezien het metaal druppelt of spuit in de printlijn, eindigt u met een printlijn die veel dikker is dan de draad. Dit betekent dat u alleen grove, lage-resolutie onderdelen kunt printen. Bovendien is de deelgeometrie beperkt omdat het moeilijk is om overhangende gebieden te printen wanneer het gesmolten metaal wordt gedruppeld of gespoten. DED-machines zijn ook duurder omdat u veel vermogen nodig hebt om metaal op die manier te smelten. Deze systemen worden dus typisch gebruikt voor heel grote onderdelen, zoals de grootte van een vliegtuigcel, maar zijn niet helemaal geschikt voor hoge-resolutie eisen.

Was de impuls achter Joule Printing-technologie om al deze problemen op te lossen?

Ja. Om de problemen van snelheid, productiekosten en kwaliteit op te lossen.

Naast de kwesties van snelheid, kosten en deelkwaliteit, wat zijn de andere uitdagingen voor bedrijven die metalen 3D-printen voor productie willen adopteren?

Er is de vraag of men nadenkt over welke technologieën het beste passen bij welke toepassingen. Het is belangrijk om duidelijk te zijn over het probleem dat u probeert op te lossen en het juiste gereedschap te kiezen om dat probleem op te lossen.

Het is als conventionele productie: niet elk metaal onderdeel wordt op dezelfde manier gemaakt. Sommige dingen worden gefreest, anderen gesmeed, gestampt of gegoten. Er is geen one-size-fits-all benadering voor elk probleem. Metalen 3D-printen is hetzelfde.

Hoe ziet u metalen 3D-printen evolueren de komende 5 jaar?

Als metalen 3D-printen vandaag ongeveer een 2 miljard dollar industrie is, verwacht ik dat het een 30 miljard dollar industrie zal worden over 5 jaar.

Dit is vanwege de 3 enorme voordelen van 3D-printen: allereerst kunt u veel tijd besparen omdat u rechtstreeks van een ontwerp naar een onderdeel kunt gaan zonder tooling te bouwen. Ten tweede kunt u interessante geometrieën bereiken die u op geen andere manier kunt maken met conventionele productie. Ten derden, als u de juiste technologie voor de juiste toepassing kiest, kunt u de productiekosten aanzienlijk verlagen.

Welke rol zal Digital Alloys spelen in deze evolutie?

Digital Alloys zal een enorme rol spelen. We zijn goedkoper dan conventionele productie voor een heel grote categorie onderdelen. Dit betekent dat u onze technologie kunt gebruiken om uw productiekosten te verlagen zonder uw onderdeel te herontwerpen of andere veranderingen aan te brengen. En dat is zeer aantrekkelijk voor klanten.

Welke industrieën richt u met Joule Printing?

We beginnen als leverancier van geprinten onderdelen, met het doel om onze printers begin 2020 te versturen. In onze eerste toepassingen richten we ons op gebieden waar we productiekosten ten opzichte van conventionele productie kunnen verlagen. Waar dat vooral waar is, is voor onderdelen die gefreest worden uit metalen die moeilijk te snijden zijn, zoals titanium, toolstaal, nikkellegeringen en roestvrij staal.

Joule Printing stelt u in staat om een near-net-shape onderdeel te printen dat de afvalstoffen en de ruwe freesbewerking elimineert, wat veel besparingen genereert. Een voorbeeldtoepassing is titaniumonderdelen gebruikt in de luchtvaart, medische hulpmiddelen en in de maritieme industrie. Een tweede toepassing is tooling, aangezien toolstallen erg moeilijk te snijden zijn. Maar met 3D-printen kunt u koelkanalen aan de tools toevoegen, bijvoorbeeld een die-casting inzet met interne koelkanalen die u in staat stellen om de tool sneller af te koelen en de cyclus tijd te verkleinen. Onze klanten voor die toepassingen zijn automotive, consumentenproducten en luchtvaart.

Kijkend naar additieve productie, is er een trend waar u het meest enthousiast over bent?

De overgang van prototyping naar productie. Dat is zeker de grootste trend op dit moment.

Hoe ziet de toekomst eruit voor Digital Alloys?

We zullen onze eerste fabriek bouwen in 2019. Werken in productie gaat niet alleen over de technologie. U moet weten hoe u operators aanneemt en traint, een toeleveringsketen opbouwt, hoe u kwaliteitsborging doet, certificering, regulekeuringen garandeert, enzovoort. We zullen dit eerst doen, waardoor het voor onze klanten makkelijker wordt om te volgen. Daarna plannen we om begin 2020 onze printers te gaan verzenden.

U kunt meer informatie over Digital Alloys vinden op https://www.digitalalloys.com/.