专家访谈：Digital Alloys 首席执行官 Duncan McCallum 关于焦耳打印和金属 3D 打印的未来

去年金属 3D 打印的兴起已得到充分证明。随着新参与者快速进入市场，Digital Alloys 是为这一发展做出贡献的一家公司。 Digital Alloys 成立于 2017 年，已开发出用于高速金属增材制造的专利焦耳打印技术。该技术有望实现更快的生产速度、更低的成本和可与传统制造相媲美的高质量零件。在今年成功获得 1290 万美元的 B 轮融资后，该公司在颠覆金属 3D 打印市场的道路上肯定看起来不错。

我们与 Digital Alloys 的首席执行官 Duncan McCallum 进行了交谈，以了解有关 Joule Printing 的更多信息以及他对金属 3D 打印未来的看法。

Digital Alloys 最近因其焦耳打印技术获得两项新专利的消息成为头条新闻。你能解释一下这项技术是如何工作的吗？

首先，我将从我们正在解决的问题开始：如果您想使用 3D 打印进行生产，那么今天没有太多好的选择。这是因为系统太慢，生产成本太高，流程太复杂。这使得很难获得始终如一的高质量金属零件。

我们解决这些问题的方法是通过焦耳打印。该技术使用线材，与粉末和其他材料相比，线材价格低廉。焊丝被置于精密运动系统中，具有精确的送丝功能。然后将导线的尖端移动到我们想要开始打印线的部件上的位置，使其接触到部件。然后通过将电流通过导线进入接触部件来熔化导线的尖端。在物理学中，这被称为电阻加热或焦耳加热——就像烤面包机中的线圈。

焦耳印刷技术有哪些优势？

当您使用焦耳加热时，您是从内部加热金属。由于没有热时间常数，您可以用非常低的能量非常快速地加热金属。这意味着没有热力学速度限制；我们能够以我们可以精确和准确地移动的速度进行打印。我们的目标是到年底 5 或 10 公斤/小时。凭借非常高的速度和较低的原材料成本，总体生产成本显着降低。

此外，您可以准确地测量熔池中发生的情况——您确切地知道它在哪里、有多少金属进入其中以及施加了多少热量。我们使用所有这些参数来实时控制它，因此它是一个紧密的闭环系统，并捕获过程数据以进行离线分析。

结果是一个可以打印金属的系统极快的速度和高质量，足够便宜，比许多应用的传统制造便宜。

焦耳印刷与市场上的其他金属增材制造系统相比如何？

还有其他 3 类技术需要考虑。第一种是最受欢迎的，是粉末床融合。通过粉末床融合，您可以将金属粉末铺成薄层，然后用激光或电子束将其熔化。

粉床熔融的挑战在于粉末非常昂贵，而且在此过程中会浪费很多，导致材料成本非常高。熔化粉末的速度也受到限制：因为你是从上到下加热它，所以你必须等待热量穿过粉末。这几乎就像烹饪火鸡一样——这个过程总是需要几个小时。你不能用更大的热量跑得更快，因为你会毁了火鸡的外面。同样，在粉末床融合中，您只需蒸发粉末即可。总的来说，这是一种相当昂贵且复杂的制造零件的方法。

第二类是粘合剂喷射。粘合剂喷射系统解决了速度问题。他们使用较低等级的粉末，因此价格较低，但材料仍然比线贵得多。该系统逐层喷射胶水以构建所谓的绿色部件。绿色部分通常是 20% 的胶水。然后必须使用化学浴去除胶水，并将零件放入烤箱并烧结。通过这样做，您希望将零件缩小 20% 以获得全强度、全密度的金属。

这个过程非常适合小而薄的零件（比棒球小）。但是，如果您的零件壁厚约 1 厘米，您就无法收缩至全密度，因为您无法将足够的热量输送到零件中。此外，尝试将较厚的壁缩小 20% 是尺寸上的一个很大变化，因此很难保持尺寸精度。最终结果是，对于壁厚超过 1 厘米的零件或更大的零件，这项技术实际上并不适用。

人们考虑的第三类是直接能量沉积，尤其是基于线的系统。尽管这些系统确实使用了线材，但这往往是粗线，直径通常为 3 毫米。然后，您可以使用激光、电子束或电弧（如弧焊）熔化金属丝。

虽然这些系统可以实现相当高的打印速度，但挑战在于分辨率。由于金属滴入或喷入打印线，最终打印线比金属丝粗得多。这意味着您只能打印粗糙的、低分辨率的部件。此外，零件几何形状受到限制，因为在滴落或喷涂熔融金属时难以打印悬垂区域。 DED 机器也往往很昂贵，因为您需要大量电力才能以这种方式熔化金属。因此，这些系统通常用于非常大的部件，例如机身尺寸，但不太适合高分辨率要求。

那么焦耳打印技术背后的推动力是为了解决所有这些问题吗？

是的。解决速度、生产成本和质量问题。

除了速度、成本和零件质量问题外，想要采用金属 3D 打印进行生产的公司还面临哪些其他挑战？

关于哪种技术最适合哪种应用程序，这是一个深思熟虑的问题。重要的是要清楚您要解决的问题并选择正确的工具来解决该问题。

这就像传统制造：每个金属部件的制造方式都不相同。有些东西是机械加工的，有些东西是锻造、冲压或铸造的。对于每一个问题，没有一种万能的方法。金属3D打印也是如此。

您如何看待金属 3D 打印在未来 5 年的发展？

如果今天的金属 3D 打印大约是一个价值 20 亿美元的产业，我预计它会在 5 年内成为一个价值 300 亿美元的产业。

这是因为 3D 打印的 3 个巨大优势：首先，您可以节省大量时间，因为您可以直接从设计到零件，而无需构建工具。其次，您可以获得有趣的几何形状，这是传统制造方法无法做到的。第三，如果为正确的应用选择正确的技术，可以大大降低生产成本。

数字合金在这一演变过程中将扮演什么角色？

数字合金将发挥巨大作用。对于非常大的零件类别，我们比传统制造更便宜。这意味着您可以使用我们的技术来降低生产成本，而无需重新设计零件或进行其他更改。这对客户非常有吸引力。

您使用焦耳印刷瞄准哪些行业？

我们最初是一家印刷零件供应商，目标是在 2020 年初将我们的打印机出货。在我们的第一个应用中，我们专注于可以相对于传统制造降低生产成本的领域。对于由难以切割的金属加工而成的零件尤其如此，例如钛、工具钢、镍合金和不锈钢。

Joule Printing 允许您打印近净形状的零件，从而消除废料和粗切加工，从而节省大量成本。一个示例应用是用于航空航天、医疗设备和海洋工业的钛零件。第二个应用是工具，因为工具钢很难切割。但是通过 3D 打印，您可以为工具添加冷却通道，例如具有带内部冷却通道的压铸插件，可以让您更快地冷却工具并缩短循环时间。我们的客户是汽车、消费品和航空航天。

看看增材制造，有没有让您最兴奋的趋势？

从原型到生产的转变。这当然是目前最大的趋势。

数字合金的未来是什么样的？

我们将在 2019 年建造我们的第一家工厂。在生产中工作，不仅仅是技术。您需要知道如何雇用和培训操作员、建立供应链、如何进行质量保证、认证、确保监管批准等。我们将首先这样做，让我们的客户更容易跟进。在那之后，我们计划在 2020 年初开始发货我们的打印机。

您可以在 了解有关 Digital Alloys 的更多信息 https://www.digitalalloys.com/。