Experteninterview: Duncan McCallum, CEO von Digital Alloys, über Joule Printing und die Zukunft des 3D-Metalldrucks

Der Anstieg des 3D-Metalldrucks im letzten Jahr ist gut dokumentiert. Einer der neuen Player, die in den mit hoher Geschwindigkeit wachsenden Markt eingetretenen sind und zu dessen Entwicklung beitragen ist Digital Alloys. Das Unternehmen wurde 2017 gegründet und hat seine patentierte Joule-Drucktechnologie für die Hochgeschwindigkeitsfertigung von Metalladditiven entwickelt. Die Technologie verspricht schnellere Produktionsgeschwindigkeiten, niedrigere Kosten und qualitativ hochwertige Teile, die mit der konventionellen Fertigung mithalten können. Nachdem das Unternehmen in diesem Jahr eine Serie-B-Finanzierungsrunde im Wert von 12,9 Millionen US-Dollar erfolgreich abgeschlossen hat, scheint es auf dem besten Weg zu sein, den Metall-3D-Druckmarkt zu stören.
 
Wir haben mit Duncan McCallum, CEO von Digital Alloys, gesprochen, um mehr über Joule Printing sowie seine Gedanken zur Zukunft des 3D-Metalldrucks zu erfahren.
 

Digital Alloys machte kürzlich Schlagzeilen mit der Nachricht von zwei neuen Patenten für seine Joule-Drucktechnologie. Können Sie erklären, wie die Technologie funktioniert?

Zuerst beginne ich mit dem Problem, das wir lösen wollen: Es gibt heutzutage einfach nicht viele gute Optionen, wenn Sie 3D-Druck für die Produktion verwenden möchten. Dies liegt daran, dass Systeme zu langsam sind, die Produktionskosten zu hoch sind und die Prozesse zu komplex sind. Alles das macht es schwierig, gleichbleibend hochwertige Metallteile zu erhalten.

 
Wir lösen diese Probleme durch Joule Printing. Die Technologie verwendet Draht, der im Vergleich zu Pulver und anderen Materialien kostengünstiger ist. Der Draht wird in ein Präzisionsbewegungssystem mit Präzisionsdrahtvorschub eingelegt. Die Spitze des Drahtes wird dann zu der Stelle auf dem Teil bewegt, an der eine Drucklinie beginnen soll, so dass sie das Teil berührt. Die Spitze des Drahtes wird dann geschmolzen, indem ein Strom durch den Draht in das in Kontakt stehende Teil geleitet wird. In der Physik wird dies als Widerstandsheizung oder Joule-Heizung bezeichnet – es ist wie die Spule in einem Toaster.
 

Was sind die Vorteile der Joule-Drucktechnologie?

Wenn Sie die Joule-Methode verwenden, heizen Sie das Metall von innen auf. Da es keine thermische Zeitkonstante gibt, können Sie das Metall mit sehr geringem Energieaufwand sehr schnell erwärmen. Dies bedeutet, dass es keine thermodynamische Geschwindigkeitsbegrenzung gibt. Wir können mit der Geschwindigkeit drucken, mit der wir uns präzise und genau bewegen können. Unser Ziel bis zum Jahresende sind 5 oder 10 kg / Stunde. Mit einer sehr hohen Geschwindigkeit und niedrigen Rohstoffkosten werden die Gesamtproduktionskosten erheblich reduziert.
 
Außerdem können Sie genau messen, was im Schmelzbad passiert – Sie wissen genau, wie der Stand ist, wie viel Metall hineingeht und wie viel Wärme angewendet wird. Wir verwenden all diese Parameter, um sie in Echtzeit zu steuern, sodass sie ein enges System mit geschlossenem Regelkreis darstellen, und um die Prozessdaten für die Offline-Analyse zu erfassen.
 
Das Ergebnis ist ein System, mit dem Metall mit extrem hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität gedruckt werden kann, und das kostengünstig genug ist, um für viele Anwendungen günstiger zu sein als die herkömmliche Fertigung.
 

Wie vergleicht sich Joule Printing mit anderen Metall-AM-Systemen auf dem Markt?

Es gibt drei weitere Kategorien in der Technologie, die berücksichtigt werden müssen. Die erste, die am beliebtesten ist, ist die Pulverbettfusion. Beim Pulverbettschmelzen tragen Sie Metallpulver in einer dünnen Schicht auf und schmelzen es mit einem Laser- oder Elektronenstrahl.
 
Die Herausforderung beim Pulverbettschmelzen besteht darin, dass Pulver sehr teuer sind und dabei viel Verschwendung aufweisen, was zu sehr hohen Materialkosten führt. Sie können auch festlegen, wie schnell Sie das Pulver schmelzen können: Da Sie es von oben nach unten erhitzen, müssen Sie warten, bis sich die Wärme durch das Pulver bewegt. Es ist fast so, als würde man einen Truthahn braten – ein Vorgang, der immer über ein paar Stunden hinzieht. Sie können die Hitze nicht erhöhen, weil Sie die Außenseite des Truthahns ruinieren würden. In ähnlicher Weise verdampfen Sie bei der Pulverschmelzung nur das Pulver. Insgesamt ist dies ein recht teurer und komplexer Weg, ein Teil herzustellen.
 
Die zweite Kategorie ist Binder Jetting. Binder Jetting Systeme gehen dem Geschwindigkeitsproblem nach. Sie verwenden ein Pulver von geringerer Qualität, dass daher zwar billiger ist, aber im Grunde genommen immer noch viel teurer ist als ein Draht. Die Systeme sprühen Schicht für Schicht Klebstoff auf, um ein sogenanntes rohes Teil zu bilden. Ein rohes Teil besteht in der Regel aus 20% Klebstoff. Der Kleber muss dann mit einem chemischen Bad entfernt und das Teil in einen Ofen gegeben und gesintert werden. Auf diese Weise verkleinern Sie das Teil um 20%, um so ein Metall mit voller Festigkeit und Dichte zu erhalten.
 
Dieser Prozess funktioniert ziemlich gut für kleine, dünne Teile (kleiner als Baseball). Wenn Ihre Teilewände jedoch dicker als etwa 1 Zentimeter sind, können Sie nicht auf die volle Dichte schrumpfen, da nicht genügend Wärme in das Teil transportiert werden kann. Der Versuch, dickere Wände um 20% zu verkleinern, ergibt große Änderung der Abmessungen. Daher ist es schwierig, die Maßgenauigkeit beizubehalten. Das Nettoergebnis ist, dass diese Technologie für Teile mit einer Wandstärke von mehr als 1 Zentimeter oder für größere Teile nicht wirklich geeignet ist.
 
Die dritte Kategorie, die von Menschen in Betracht gezogen wird, ist die direkte Energieabscheidung, insbesondere die drahtbasierten Systeme. Obwohl diese Systeme einen Draht verwenden, handelt es sich in der Regel um einen fetten Draht mit einem Durchmesser von 3 mm. Anschließend schmelzen Sie den Draht mit einem Laser, Elektronenstrahl oder Lichtbogen, wie beim Lichtbogenschweißen.
 
Während diese Systeme ziemlich hohe Druckgeschwindigkeiten erreichen können, liegt die Herausforderung in der Auflösung. Da das Metall in die Druckzeile tropft oder sprüht, erhalten Sie eine Druckzeile, die viel dicker ist als der Draht. Dies bedeutet, dass Sie nur grobe Teile mit niedriger Auflösung drucken können. Zusätzlich ist die Teilegeometrie begrenzt, da es schwierig ist, überhängende Bereiche zu drucken, wenn das geschmolzene Metall getropft oder gesprüht wird. DED-Maschinen sind in der Regel auch teuer, da Sie viel Strom dazu benötigen, das Metall auf diese Weise zu schmelzen. Daher werden diese Systeme normalerweise nur für sehr große Teile wie die Größe einer Flugzeugzelle verwendet, eignen sich jedoch nicht für hochauflösende Anforderungen.
 

Der Anstoß hinter Joule Printing Technology war es also, all diese Probleme zu lösen?

Ja. Um die Probleme von Geschwindigkeit, Produktionskosten und Qualität zu lösen.
 

Was sind neben Geschwindigkeit, Kosten und Teilequalität die weiteren Herausforderungen, vor denen Unternehmen stehen, die den Metall-3D-Druck für die Produktion einsetzen möchten?

Es stellt sich die Frage, welche Technologien für welche Anwendungen am besten geeignet sind. Es ist wichtig, dass Sie sich über das Problem im Klaren sind, das Sie lösen möchten, und dass Sie das richtige Werkzeug auswählen, um das Problem zu lösen.
 
Es ist wie bei der konventionellen Fertigung: Nicht jedes Metallteil wird auf die gleiche Weise hergestellt. Manche Dinge werden bearbeitet, andere geschmiedet oder gestempelt oder gegossen. Es gibt keinen einheitlichen Ansatz für sich bietende Probleme.
 

Wie sehen Sie die Entwicklung des 3D-Metalldrucks in den nächsten 5 Jahren?

Wenn der Metall-3D-Druck heute eine 2-Milliarden-Dollar-Branche ist, sehe ich in 5 Jahren eine 30-Milliarden-Dollar-Branche.

 
Dies liegt an den drei großen Vorteilen des 3D-Drucks: Erstens können Sie viel Zeit sparen, da Sie direkt von einem Entwurf zu einem Teil gelangen können, ohne Werkzeuge zu erstellen. Zweitens können Sie interessante Geometrien erzielen, die Sie mit konventioneller Fertigung nicht anders erreichen können. Drittens können Sie die Produktionskosten erheblich senken, wenn Sie die richtige Technologie für die richtige Anwendung auswählen.
 

Welche Rolle spielt Digital Alloys in dieser Entwicklung?

Digital Alloys wird dabei eine große Rolle spielen. Wir sind in einen sehr großen Teilebereich sehr viel billiger als es die konventionelle Fertigung ist. Dies bedeutet auch, dass Sie unsere Technologie nutzen können, um Ihre Produktionskosten zu senken, ohne Ihr Teil neu zu gestalten oder andere Änderungen vornehmen zu müssen. Und das ist sehr für viele Kunden ein großer Vorteil.
 

Auf welche Branchen richten Sie sich mit Joule Printing?

Wir beginnen als Anbieter von Druckteilen. Unser Ziel ist es unsere Drucker Anfang 2020 auszuliefern. Bei unseren ersten Anwendungen konzentrieren wir uns auf Bereiche, in denen wir die Produktionskosten im Vergleich zur konventionellen Fertigung senken können. Dies gilt insbesondere für Teile, die aus schwer zerspanbaren Metallen wie Titan, Werkzeugstahl, Nickellegierungen und Edelstahl gefertigt sind.
 
Mit dem Joule-Druck können Sie ein nahezu ein netzgeformtes Teil drucken, wodurch Ausschuss und grobe Schnitte vermieden werden. Eine beispielhafte Anwendung sind Titan-Teile, die in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Geräten und in der Schiffsindustrie verwendet werden. Eine zweite Anwendung ist der Werkzeugbau, da Werkzeugstähle sehr schwer zu schneiden sind. Beim 3D-Druck können Sie den Werkzeugen Kühlkanäle hinzufügen, z. B. einen Druckgusseinsatz mit internen Kühlkanälen, mit denen Sie das Werkzeug schneller abkühlen und die Zykluszeit verkürzen können. Unsere Kunden hier sind die Bereiche Automobil, Konsumgüter und Luft- und Raumfahrt.
 

Gibt es bei der additiven Fertigung einen Trend, von dem Sie am meisten begeistert sind?

Der Übergang vom Prototyping zur Produktion. Das ist sicherlich der derzeit größte Trend.

Wie sieht die Zukunft für Digital Alloys aus?

Wir werden 2019 unser erstes Werk bauen. In der Produktion geht es nicht nur um die Technologie. Sie müssen auch wissen, wie Sie Mitarbeiter einstellen und schulen können, eine Lieferkette aufbauen. Sie müssen die Qualität sicherstellen, diese zertifizieren, behördliche Genehmigungen sicherstellen und so weiter. Das werden wir zuerst tun, damit unsere Kunden uns dann leichter folgen können. Danach planen wir Anfang 2020 unsere Drucker auszuliefern.
 
Weitere Informationen zu Digital Alloys finden Sie unter: https://www.digitalalloys.com/.