Le PDG de Digital Alloys, Duncan McCallum, discute de l'impression Joule et de l'avenir de la fabrication additive métallique

L'essor de l'impression 3D métallique l'an dernier est bien documenté. Avec de nouveaux acteurs entrant sur le marché à grande vitesse, Digital Alloys est l'une des entreprises contribuant à cette évolution. Fondée en 2017, Digital Alloys a développé sa technologie brevetée d'impression Joule pour la fabrication additive métallique à haute vitesse. Cette technologie promet des vitesses de production plus rapides, des coûts plus bas et des pièces de haute qualité rivalisant avec la fabrication conventionnelle. Après avoir obtenu avec succès un financement de série B de 12,9 millions de dollars cette année, la semble bien partie pour perturber le marché de l'impression 3D métallique.

Nous avons rencontré Duncan McCallum, PDG de Digital Alloys, pour en savoir plus sur l'impression Joule et sa vision de l'avenir de l'impression 3D métallique.

Digital Alloys a fait les gros titres récemment avec l'annonce de deux nouveaux brevets pour sa technologie d'impression Joule. Pourriez-vous expliquer comment fonctionne cette technologie ?

Tout d'abord, je vais expliquer le problème que nous résolvons : il n'y a tout simplement pas beaucoup de bonnes options aujourd'hui si vous voulez utiliser l'impression 3D pour la production. C'est parce que les systèmes sont trop lents, les coûts de production trop élevés et les processus trop complexes. Cela rend difficile l'obtention constante de pièces métalliques de haute qualité.

La façon dont nous résolvons ces problèmes est l'impression Joule. La technologie utilise du fil, qui est peu coûteux comparé à la poudre et aux autres matériaux. Le fil est placé dans un système de mouvement de précision avec une alimentation de fil de précision. L'extrémité du fil est ensuite déplacée vers l'endroit sur la pièce où nous voulons commencer une ligne d'impression pour qu'elle touche la pièce. L'extrémité du fil est ensuite fondue en faisant passer un courant à travers le fil dans la pièce en contact. En physique, cela s'appelle le chauffage par résistance ou chauffage Joule — c'est comme la résistance d'un grille-pain.

Quels sont les avantages de la technologie d'impression Joule ?

Lorsque vous utilisez le chauffage Joule, vous chauffez le métal de l'intérieur. Comme il n'y a pas de constante de temps thermique, vous pouvez chauffer le métal très rapidement avec très peu d'énergie. Cela signifie qu'il n'y a pas de limite de vitesse thermodynamique ; nous sommes capables d'imprimer à la vitesse à laquelle nous pouvons nous déplacer avec précision et exactitude. Notre objectif est de 5 à 10 kg/heure d'ici la fin de l'année. Avec une vitesse très élevée et de faibles coûts de matière première, les coûts de production globaux sont considérablement réduits.

De plus, vous pouvez mesurer exactement ce qui se passe dans le bain de fusion — vous savez exactement où il se trouve, quelle quantité de métal y entre et quelle chaleur est appliquée. Nous utilisons tous ces paramètres pour le contrôler en temps réel, c'est un système en boucle fermée très serré, ainsi que pour capturer les données de processus afin de les analyser hors ligne.

Le résultat est un système capable d'imprimer du métal à une vitesse extrême et de haute qualité, assez peu coûteux pour être moins cher que la fabrication conventionnelle pour de nombreuses applications.

Comment l'impression Joule se compare-t-elle aux autres systèmes de fabrication additive métallique sur le marché ?

Il y a 3 autres catégories de technologies à considérer. La première, la plus populaire, est la fusion sur lit de poudre. Avec la fusion sur lit de poudre, vous étalez de la poudre métallique en une fine couche et la faites fondre avec un laser ou un faisceau d'électrons.

Le défi de la fusion sur lit de poudre est que les poudres sont très chères et qu'une grande partie est gaspillée dans le processus, entraînant des coûts matériels très élevés. Vous êtes également limité en vitesse de fusion de la poudre : comme vous la chauffez par le haut, vous devez attendre que la chaleur traverse la poudre. C'est presque comme cuisiner une dinde — un processus qui prend toujours quelques heures. Vous ne pouvez pas aller plus vite avec plus de chaleur car vous brûleriez l'extérieur de la dinde. De même, dans la fusion sur lit de poudre, vous vaporiseriez simplement la poudre. Dans l'ensemble, c'est une façon assez coûteuse et complexe de fabriquer une pièce.

La deuxième catégorie est le Binder Jetting (jet de liant). Les systèmes Binder Jetting s'attaquent au problème de la vitesse. Ils utilisent une poudre de qualité inférieure, donc elle est moins chère, mais le matériau reste beaucoup plus cher qu'un fil. Les systèmes projettent de la colle couche par couche pour construire ce qu'on appelle une « pièce verte ». Une pièce verte contient généralement 20 % de colle. La colle doit ensuite être éliminée par un bain chimique et la pièce mise dans un four et frittée. Ce faisant, vous espérez rétrécir la pièce de 20 % pour obtenir un métal à pleine résistance et pleine densité.

Ce processus fonctionne assez bien pour les pièces petites et minces (plus petites qu'une balle de baseball). Mais si les parois de votre pièce sont plus épaisses qu'environ 1 centimètre, vous ne pouvez pas atteindre la pleine densité car vous ne pouvez pas faire pénétrer suffisamment de chaleur dans la pièce. De plus, essayer de rétrécir des parois plus épaisses de 20 % représente un grand changement de dimension, il est donc difficile de maintenir la précision dimensionnelle. Le résultat net est que cette technologie ne fonctionne pas vraiment bien pour les pièces dont les parois sont plus épaisses de 1 centimètre, ou pour les pièces plus grandes.

La troisième catégorie que les gens considèrent est le Dépôt d'Énergie Direct (DED), en particulier les systèmes à fil. Bien que ces systèmes utilisent un fil, il s'agit généralement d'un fil épais, typiquement 3 millimètres de diamètre. Vous faites ensuite fondre le fil avec un laser, un faisceau d'électrons ou un arc, comme le soudage à l'arc.

Bien que ces systèmes puissent atteindre des vitesses d'impression assez élevées, le défi est la résolution. Puisque le métal goutte ou est pulvérisé dans la ligne d'impression, vous obtenez une ligne d'impression beaucoup plus épaisse que le fil. Cela signifie que vous ne pouvez imprimer que des pièces grossières, à faible résolution. De plus, la géométrie de la pièce est limitée car il est difficile d'imprimer des régions en porte-à-faux lorsque le métal en fusion est goutté ou pulvérisé. Les machines DED ont aussi tendance à être chères car vous avez besoin de beaucoup de puissance pour fondre le métal de cette façon. Ces systèmes sont donc généralement utilisés pour des pièces très grandes, comme la taille d'une structure d'avion, mais ne sont pas tout à fait adaptés aux exigences de haute résolution.

Donc l'impulsion derrière la technologie d'impression Joule était de résoudre tous ces problèmes ?

Oui. Pour résoudre les problèmes de vitesse, de coût de production et de qualité.

En dehors des problèmes de vitesse, de coût et de qualité des pièces, quels sont les autres défis auxquels font face les entreprises voulant adopter l'impression 3D métallique pour la production ?

Il y a la question d'être réfléchi sur les technologies qui conviennent le mieux à quelles applications. Il est important d'être clair sur le problème que vous essayez de résoudre et de choisir le bon outil pour le résoudre.

C'est comme la fabrication conventionnelle : chaque pièce métallique n'est pas faite de la même façon. Certaines choses sont usinées, d'autres sont forgées, estampées ou coulées. Il n'y a pas d'approche universelle pour chaque problème. L'impression 3D métallique est la même.

Comment voyez-vous l'impression 3D métallique évoluer au cours des 5 prochaines années ?

Si aujourd'hui l'impression 3D métallique est une industrie d'environ 2 milliards de dollars, j'envisage qu'elle deviendra une industrie de 30 milliards de dollars dans 5 ans.

C'est à cause des 3 énormes avantages de l'impression 3D : premièrement, vous pouvez gagner beaucoup de temps car vous pouvez passer directement d'une conception à une pièce sans fabriquer d'outillage. Deuxièmement, vous pouvez réaliser des géométries intéressantes que vous ne pouvez pas faire autrement avec la fabrication conventionnelle. Troisièmement, si vous choisissez la bonne technologie pour la bonne application, vous pouvez réduire considérablement les coûts de production.

Quel rôle Digital Alloys jouera-t-il dans cette évolution ?

Digital Alloys jouera un rôle énorme. Nous sommes moins chers que la fabrication conventionnelle pour une très grande catégorie de pièces. Cela signifie que vous pouvez utiliser notre technologie pour réduire vos coûts de production sans redessiner votre pièce ou faire d'autres changements. Et c'est très attrayant pour les clients.

Quelles industries ciblez-vous avec l'impression Joule ?

Nous commençons comme fournisseur de pièces imprimées, avec l'objectif d'expédier nos imprimantes début 2020. Dans nos premières applications, nous nous concentrons sur les domaines où nous pouvons réduire les coûts de production par rapport à la fabrication conventionnelle. C'est particulièrement vrai pour les pièces usinées dans des métaux difficiles à couper, comme le titane, l'acier à outils, les alliages de nickel et l'acier inoxydable.

L'impression Joule vous permet d'imprimer une pièce quasi-nette qui élimine les rebuts et l'usinage d'ébauche, générant beaucoup d'économies. Un exemple d'application est les pièces en titane utilisées dans l'aérospatiale, les dispositifs médicaux et l'industrie navale. Une deuxième application est l'outillage, car les aciers à outils sont très difficiles à couper. Mais avec l'impression 3D, vous pouvez ajouter des canaux de refroidissement aux outils, par exemple avoir un insert de moulage sous pression avec des canaux de refroidissement internes qui permettent de refroidir l'outil plus rapidement et de réduire le temps de cycle. Nos clients pour ceux-ci sont l'automobile, les produits de consommation et l'aérospatiale.

En regardant la fabrication additive, y a-t-il une tendance qui vous enthousiasme le plus ?

Le passage du prototypage à la production. C'est certainement la plus grande tendance en ce moment.

À quoi ressemble l'avenir pour Digital Alloys ?

Nous construirons notre première usine en 2019. Travailler en production, ce n'est pas seulement la technologie. Il faut savoir comment embaucher et former des opérateurs, construire une chaîne d'approvisionnement, faire de l'assurance qualité, de la certification, garantir l'approbation réglementaire, etc. Nous ferons cela en premier, rendant plus facile pour nos clients de suivre. Après cela, nous prévoyons de commencer à expédier nos imprimantes début 2020.

Vous pouvez en savoir plus sur Digital Alloys sur https://www.digitalalloys.com/.