El CEO de Digital Alloys, Duncan McCallum, analiza la impresión Joule y el futuro de la fabricación metálica 3D

El auge de la impresión 3D metálica en el último año está bien documentado. Con nuevos actores entrando al mercado a gran velocidad, Digital Alloys es una de las empresas que contribuyen a esta evolución. Fundada en 2017, Digital Alloys ha desarrollado su tecnología patentada Joule Printing para fabricación aditiva metálica de alta velocidad. La tecnología promete mayores velocidades de producción, menores costes y piezas de alta calidad que rivalizan con la fabricación convencional. Tras cerrar con éxito una ronda de financiación Serie B de 12,9 millones de dólares este año, la empresa parece bien encaminada para transformar el mercado de la impresión 3D metálica.

Hablamos con el CEO de Digital Alloys, Duncan McCallum, para conocer más sobre Joule Printing y su visión del futuro de la impresión 3D metálica.

Digital Alloys ha acaparado titulares recientemente con la noticia de dos nuevas patentes para su tecnología Joule Printing. ¿Podría explicar cómo funciona la tecnología?

En primer lugar, partiré del problema que resolvemos: hoy apenas hay buenas opciones si se quiere usar impresión 3D para producción. Esto se debe a que los sistemas son demasiado lentos, los costes de producción son demasiado altos y los procesos son demasiado complejos. Esto dificulta obtener piezas metálicas de alta calidad de forma consistente.

Nuestra solución es Joule Printing. La tecnología utiliza hilo, que es económico comparado con el polvo y otros materiales. El hilo se introduce en un sistema de movimiento de precisión con alimentación precisa de hilo. La punta del hilo se mueve al punto de la pieza donde queremos iniciar una línea de impresión para que toque la pieza. La punta se funde haciendo circular una corriente a través del hilo hacia la pieza en contacto. En física esto se conoce como calentamiento por resistencia o calentamiento Joule —es como la resistencia de una tostadora.

¿Cuáles son las ventajas de la tecnología Joule Printing?

Al usar calentamiento Joule, calientas el metal desde dentro. Como no hay constante de tiempo térmica, puedes calentar el metal muy rápidamente con muy poca energía. Esto significa que no hay límite de velocidad termodinámico; podemos imprimir a la velocidad a la que podemos movernos con precisión y exactitud. Nuestro objetivo es 5 o 10 kg/hora para finales de año. Con una velocidad muy alta y bajos costes de materia prima, los costes de producción globales se reducen significativamente.

Además, puedes medir exactamente lo que ocurre en el baño de fusión —sabes exactamente dónde está, cuánto metal entra y cuánto calor se aplica—. Usamos todos estos parámetros para controlarlo en tiempo real, creando un sistema de lazo cerrado muy ajustado, y capturamos los datos del proceso para analizarlos fuera de línea.

El resultado es un sistema que puede imprimir metal a velocidad extrema y alta calidad, lo bastante barato como para ser más barato que la fabricación convencional para muchas aplicaciones.

¿Cómo se compara Joule Printing con otros sistemas de AM metálica en el mercado?

Hay otras tres categorías tecnológicas a considerar. La primera, la más popular, es la fusión por lecho de polvo. En ella, se extiende polvo metálico en una capa fina y se funde con láser o haz de electrones.

El reto de la fusión por lecho de polvo es que los polvos son muy caros y se desperdicia mucho en el proceso, lo que conlleva costes de material muy altos. Además, estás limitado en velocidad de fusión: al calentar desde arriba, debes esperar a que el calor atraviese el polvo. Es casi como asar un pavo —un proceso que siempre lleva un par de horas—. No puedes ir más rápido aplicando más calor porque quemarías el exterior. De forma similar, en fusión por lecho de polvo solo vaporizarías el polvo. En conjunto, es una forma bastante cara y compleja de fabricar una pieza.

La segunda categoría es Binder Jetting. Los sistemas Binder Jetting atacan el problema de la velocidad. Usan polvo de menor grado, así que es menos caro, pero el material sigue siendo mucho más caro que el hilo. Los sistemas depositan pegamento capa a capa para construir lo que se llama una «pieza verde». Una pieza verde suele ser un 20 % pegamento. El pegamento debe eliminarse luego con un baño químico y la pieza se sinteriza en un horno. Al hacerlo, esperas que la pieza encoja un 20 % para alcanzar una densidad y resistencia totales.

Este proceso funciona bastante bien para piezas pequeñas y delgadas (menores que una pelota de béisbol). Pero si las paredes de la pieza son más gruesas de aproximadamente 1 centímetro, no se puede alcanzar la densidad total porque no se transporta suficiente calor al interior. Además, intentar encoger paredes gruesas un 20 % implica un gran cambio dimensional, dificultando la precisión dimensional. El resultado neto es que esta tecnología no funciona bien para piezas con paredes superiores a 1 cm ni para piezas grandes.

La tercera categoría que se considera es Deposición de Energía Directa (DED), particularmente los sistemas basados en hilo. Aunque estos sistemas usan hilo, suele ser un hilo grueso, típicamente 3 mm de diámetro. Luego se funde el hilo con láser, haz de electrones o arco, como en soldadura por arco.

Aunque estos sistemas pueden alcanzar velocidades de impresión bastante altas, el reto es la resolución. Como el metal gotea o se pulveriza en la línea de impresión, se obtiene una línea mucho más gruesa que el hilo. Esto significa que solo puedes imprimir piezas gruesas y de baja resolución. Además, la geometría de la pieza está limitada porque es difícil imprimir voladizos cuando el metal fundido se gotea o pulveriza. Las máquinas DED también tienden a ser caras porque se necesita mucha potencia para fundir el metal de esa manera. Por tanto, estos sistemas se usan típicamente para piezas muy grandes, como la estructura de un avión, pero no son adecuados para requisitos de alta resolución.

Así que el impulso detrás de la tecnología Joule Printing era resolver todos estos problemas?

Sí. Resolver los problemas de velocidad, coste de producción y calidad.

Además de los problemas de velocidad, coste y calidad de la pieza, ¿qué otros retos enfrentan las empresas que quieren adoptar la impresión 3D metálica para producción?

Está la cuestión de ser reflexivo sobre qué tecnologías se adaptan mejor a qué aplicaciones. Es importante tener claro el problema que intentas resolver y elegir la herramienta adecuada para resolverlo.

Es como la fabricación convencional: no todas las piezas metálicas se fabrican de la misma manera. Algunas se mecanizan, otras se forjan, estampan o funden. No hay un enfoque único para todos los problemas. La impresión 3D metálica es lo mismo.

¿Cómo ve la evolución de la impresión 3D metálica en los próximos 5 años?

Si hoy la impresión 3D metálica es aproximadamente una industria de 2 mil millones de dólares, prevé que se convierta en una industria de 30 mil millones en 5 años.

Esto se debe a los tres enormes beneficios de la impresión 3D: primero, ahorras mucho tiempo porque puedes ir directamente del diseño a la pieza sin fabricar utillaje. Segundo, puedes lograr geometrías interesantes que no se pueden hacer de otra forma con fabricación convencional. Tercero, si eliges la tecnología adecuada para la aplicación adecuada, puedes reducir drásticamente los costes de producción.

¿Qué papel jugará Digital Alloys en esta evolución?

Digital Alloys jugará un papel enorme. Somos más baratos que la fabricación convencional para una categoría muy grande de piezas. Esto significa que puedes usar nuestra tecnología para reducir tus costes de producción sin rediseñar la pieza ni hacer otros cambios. Y eso es muy atractivo para los clientes.

¿A qué industrias se dirigen con Joule Printing?

Comenzamos como proveedor de piezas impresas, con el objetivo de enviar nuestras impresoras a principios de 2020. En nuestras primeras aplicaciones, nos centramos en áreas donde podemos reducir costes de producción frente a la fabricación convencional. Esto es especialmente cierto para piezas mecanizadas a partir de metales difíciles de cortar, como titanio, aceros para herramientas, aleaciones de níquel y aceros inoxidables.

Joule Printing permite imprimir una pieza near-net-shape que elimina el desperdicio y el desbaste, generando grandes ahorros. Un ejemplo son piezas de titanio usadas en aeroespacial, dispositivos médicos e industria marina. Una segunda aplicación es el utillaje, ya que los aceros para herramientas son muy difíciles de mecanizar. Pero con impresión 3D, puedes añadir canales de refrigeración a las herramientas, por ejemplo, un inserto de fundición a presión con canales internos de refrigeración que permiten enfriar la herramienta más rápido y reducir el tiempo de ciclo. Nuestros clientes para eso son automoción, bienes de consumo y aeroespacial.

Mirando la fabricación aditiva, ¿hay alguna tendencia que le entusiasme especialmente?

El paso del prototipado a la producción. Ese es sin duda la mayor tendencia ahora mismo.

¿Qué futuro le espera a Digital Alloys?

Construiremos nuestra primera fábrica en 2019. Trabajar en producción no es solo tecnología. Necesitas saber cómo contratar y formar operadores, construir una cadena de suministro, hacer garantía de calidad, certificación, asegurar aprobaciones regulatorias, etc. Lo haremos primero, facilitando que nuestros clientes nos sigan. Después, planeamos empezar a enviar nuestras impresoras a principios de 2020.

Puede encontrar más información sobre Digital Alloys en https://www.digitalalloys.com/.