Digital Alloys: вперед выходит новая техника 3d печати металлом

  • 1
    Share

За последние два года мы были свидетелями появления новых технологий 3d печати с использованием металлов. Эти технологии стремятся вытеснить проверенные, но устаревшие процессы, и к ним относятся разнообразные методы – от послойного наплавления и послойного склеивания композитного порошка, до струйной печати и цифровой фотолитографии. Сегодня на ринг готовится выйти новый претендент с совершенно уникальной технологией 3d печати с использованием металла и довольно солидной финансовой поддержкой.

Стартап Digital Alloys из Бостона объявил второй раунд сбора средств на образование капитала в 12.9 миллионов долларов. Вместе с его предыдущим раундом, проведенным компанией G20 Ventures с участием представителей компаний Boeing HorizonX Ventures, Lincoln Electric и Khosla Ventures, этот раунд должен принести основанному в 2017 году стартапу Digital Alloys суммарный капитал в 17.9 миллиона долларов.

Мы обратились к Дункану Маккаллуму (Duncan McCallum), исполнительному директору Digital Alloys, чтобы узнать о предлагаемой компанией технологии Joule Printing («джоульная» печать),  и об их дальнейших планах.

Напоминает тостер, но это 3d принтер, печатающий металлом

Армия появившихся в последние годы новых печатающих металлом 3d принтеров нацелена на решение проблем, связанных с устаревшими технологиями аддитивного производства (AM) металлических изделий. Среди этих проблем можно назвать скорость, возможности материала, затраты, размеры, качество и воспроизводимость изделий. В этом смысле, ситуация с Digital Alloys особо не отличается.

«Когда вы говорите с производителями – а мы уже переговорили с более чем 250 –и задаете им вопрос, в какой степени они используют 3d печать в своем производстве, в ответ обычно слышите, ‘очень мало’, – объясняет Маккаллум. – Это связано с темя основными причинами. Первая: существующие подходы к использованию 3d принтеров, печатающих металлом, требуют слишком больших затрат. Вторая причина: Предлагаемые сегодня методы слишком медленные. Третья причина: печатающие металлом 3d принтеры очень сложные и ненадежные».

В противоположность этому, технология джоульной 3d печати должна стать дешевле, быстрее, проще и надежнее других подходов. Достижение этих целей связано в первую очередь с методом нагрева металлического сырья и способом выбора типа используемого сырья. В отличие от систем расплавления порошкового материала на подложке – затраты на применение которых очень высоки, особенно в случае металлического порошка высокой степени очистки – технология компании Digital Alloys печатает с использованием металлической проволоки, широко доступной, имеющей низкие цены и предлагающей больше разнообразие материалов.

Эта технология также не использует луч лазера или пучок электронов для расплавления проволоки, а вместо этого реализует резистивный нагрев, известный как “джоульный” или “омический”, когда через проводник проходит электрический ток, нагревая металлическую проволоку.

«Это похоже на нагревательную катушку в тостере, — говорит Маккаллум. — Наиболее интересным в джоульной печати и джоульном нагреве является то, что ток проходит через проволоку. И она нагревается изнутри. Здесь нет задержки во времени на нагрев. Вы можете нагреть проволоку мгновенно, затрачивая очень мало энергии. Это дает большие преимущества в скорости».

При увеличении скорости печати увеличивается производительность, что позволяет оборудованию окупаться более быстро. И это происходит с использованием системы, обеспечивающей высокую точность перемещения.

Замкнутый цикл управления

В целом, Маккаллум описывает весь процесс, как «очень простой». Простота не только улучшает шансы надежности, но также делает возможным внедрение того, что еще только предстоит увидеть в области аддитивного металлического производства: замкнутый цикл управления.

Изготовители систем 3d печати все чаще включают в свое оборудование новые технологии мониторинга для увеличения воспроизводимости продукции. Сюда входит множество датчиков, видеокамер и программное обеспечение для выполнения таких функций, как измерение света, получаемого при лазерном расплавлении металлического порошка. Это нужно для определения точной величины тепла в месте расплава во время подачи или распыления расплавленных капель металла в рабочую камеру.

Несмотря на совершенство, достигнутое этими методами, большинство технологий 3d печати металлом печально известно своей ненадежностью. Детали часто приходится печатать по нескольку раз, чтобы достичь оптимальных параметров печати, опорных структур и ориентации объекта. Сложность связана с тем, что физика нагрева металлического порошка лучами энергии очень сложна, из-за чего таким компаниям как 3DSIM (после того, как ее приобрела ANSYS) пришлось разрабатывать сложные алгоритмы для моделирования процесса печати, с тем, чтобы увеличить шансы получение хорошего результата.

А вот джоульная печать, как говорят, достаточно проста, чтобы обеспечить более точное управление и мониторинг. Маккаллум говорит, что технология компании Digital Alloys, благодаря контакту головки принтера с проволокой, позволяет точно знать, где расположен каждый воксел. Количество подаваемого металла легко определяется, благодаря точной системе подачи проволоки. Какое количество энергии используется для нагрева проволоки, также точно известно, поскольку нагрев осуществляется при помощи электрической схемы.

«Мы можем все это точно измерять в реальном времени, и использовать эти параметры для управления процессом, с тем, чтобы массово поставлять полученные 3d печатью металлические детали высокого качества. И можем делать это легко, без множества сложных шагов, которые требуются для послойного соединения материала, или других технологий, — говорит Маккаллум. — Это единственная в мире технология печати металлом, где вы можете точно измерить, что происходит в рабочей камере».

Единственным возможным исключением может быть бренд Markforged, который ранее заявлял о разработке системы замкнутого цикла для своей технологии аддитивного производства из композитных материалов. Так как процесс 3d печати у Markforged основан на аналогичной платформе, то возможно, что компания надеется ввести управление замкнутого цикла в свои системы аддитивного производства Atomic Diffusion. Однако детали, полученные в их принтерах, все еще должны проходить обжиг в печи. Согласно Маккаллуму, для деталей, полученных на джоульных 3d принтерах, не требуется дополнительная термическая обработка, чтобы достичь полной плотности.

Более мелкие детали

3d печать с использованием металла все еще имеет печальную известность, благодаря объему последующей механической обработки, необходимой для доведения детали, вышедшей из принтера, до того вида, который представлен на выставках и ярмарках. Сюда входит отрезание компонента от основания, и удаление поддерживающих конструкций, которые используются для горячего изостатического прессования с целью увеличения плотности детали.

Печать металлом
Вид с близкого расстояния процесса джоульной 3d печати

Маккаллум говорит, что объекты, выполненные при помощи джоульной 3d печати, имеют плотность не ниже 99.5 процентов и изотропную кристаллическую структуру. По этой причине отсутствует необходимость в дополнительной термообработке. По его словам, как и для всех металлических деталей, полученных при помощи 3d печати, определенная последующая обработка для окончательной отделки поверхности, все равно требуется, чтобы полученные детали имели форму, близкую к заданной.

Но когда Маккаллум говорит о деталях, форма которых близка к заданной, он не имеет в виду «полуфабрикаты», упоминаемые пользователями систем с направленным распределением энергии (DED). В некоторых системах DED используется толстая проволока, нагреваемая электрической дугой, лазером или пучком электронов для создания деталей при помощи капель расплавленного металла или распыления его для получения более широких линий печати. Затем для придания окончательной формы детали используются станки с ЧПУ или другие методы.

В случае технологии компании Digital Alloys, высота слоя и ширина линии определяются диаметром проволоки. Первая система, предложенная стартапом, могла использовать проволоку диаметром от 250 микронов до 1 мм. Маккаллум говорит, что система способна печатать навесы под углом в 45 градусов без дополнительной поддержки.

«При изготовлении чего-либо с навесом в 90 градусов (типа крыши), вы используете возможность работы принтера с несколькими разными металлами. Опоры могут делаться из металла, который растворяется или легко расплавляется», — говори Маккаллум.

Планы Digital Alloys

К концу года компания намерена достичь возможности печати со скоростью от 5 до 10 кг/час, что открывает возможность для массового производства деталей. Хотя Digital Alloys увеличит в будущем объем рабочей камеры, Маккаллум уверен, что более объемные приложения уже сегодня возможны с использование одного или нескольких принтеров.

В частности, основное внимание технологии уделяется таким деталям, трудно поддающимся механической обработке, как компоненты, выполненные из титана, инконеля и нержавеющей стали. Сюда входит и инструментальная обработка с конформным охлаждением. Для деталей, трудно поддающихся обработке, во время механической обработки образуется значительное количество отходов, что означает излишний расход дорогостоящего сырья. К этому добавляются затраты на эксплуатацию станков, способных резать такие материалы.

Технология 3d печати предлагает альтернативу, при которой отходы почти не образуются, и при этом появляются дополнительные уникальные возможности. Например, в случае инструментальной обработки, можно создавать в деталях каналы для конформного охлаждения, которые позволят инструментам охлаждаться значительно быстрее, сокращая время производственного цикла. Кроме того, как показано провайдером 3d печати, PROTIQ, для снижения веса инструментов может использоваться оптимизация топологии, что позволяет экономить секунды на подъеме и смене инструментов.

«Мы сейчас достигли точки, когда потребители не сравнивают нас с другими технологиями 3d печати, — говорит Маккаллум. — Они сравнивают нас с традиционным производством. В этих ключевых областях наши затраты почти всегда на 25-50 процентов меньше, чем в традиционном производстве».

И когда же эти системы попадут в руки потребителей? Исполнительный директор считает, что это произойдет не раньше конца следующего года. Стартап планирует начать работу, как поставщик деталей, полученных на 3d принтере. Уже имея заказы более чем десятка компаний, Digital Alloys намерена поставить первые отпечатанные детали к концу текущего года.

Стартап Digital Alloys уже начал получать финансы, которые позволят им продвинуться к названным целям. Компания использует 12.9 миллионов долларов для найма новых инженеров, и расширения производственных мощностей. Вместе с финансированием, Digital Alloys получит и все то, что сопутствует партнерству с такими крупными компаниями, как Boeing и Lincoln Electric.

«С компанией Boeing мы работаем в первую очередь над деталями, выполненными из трудно поддающихся обработке металлов, таких как титан и инконель. Основное внимание уделяется возможности значительной экономии затрат на механическую обработку, – говорит Маккаллум. – Мы очень заинтересованы в партнерстве с Boeing, так как это повышает наш опыт. Boeing является одним из ведущих производителей деталей, которые должны соответствовать очень жестким требованиям. Учась у Boeing, как нужно делать это, Digital Alloys станет более сильной компанией».

Учитывая собственный послужной список Маккаллума, вероятность успеха довольно высока. Последние 22 года он работает на рынке венчурного капитала и Digital Alloys — это третий стартап, запущенный им. Два предыдущих он уже продал. Помня об этом, мы надеемся в ближайшее время услышать новые известия об этой компании.


  • 1
    Share

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *