[ENTREVISTA] Peter Hansford, Wayland Additive CRO, fabricación de aditivos metálicos de "máximo calibre" de haz de electrones

Dec 11, 2023

Wayland Additive, con sede en el Reino Unido, está abriendo nuevos caminos en la industria de fabricación de aditivos metálicos al ofrecer un enfoque innovador para la tecnología de fabricación de haces de electrones. Su solución, etiquetada como el proceso NeuBeam, intenta aliviar los problemas de larga data que ven con la fusión tradicional por haz de electrones (EBM). Estos problemas han obstaculizado la adopción más amplia de las tecnologías EBM, a pesar de sus beneficios para aplicaciones específicas y en términos de garantía de calidad y monitoreo de procesos.

Peter Hansford, CRO de Wayland Additive, destacó las principales diferencias entre la fabricación aditiva basada en rayos de electrones y láser durante esta entrevista con 3D Printing Industry. "El haz de electrones y el láser son fundamentalmente diferentes en el sentido de que uno es un proceso en caliente y el otro es un proceso en frío. Hay limitaciones con ambos, no es que uno sea mejor que el otro. Simplemente es diferente", explicó Hansford.

Las tecnologías de haz de electrones generalmente se implementan para piezas más grandes que sufrirían una tensión significativa durante un proceso láser debido al proceso de calentamiento. Sin embargo, el haz de electrones no se ha adoptado ampliamente porque "es un proceso difícil de manejar", en parte debido al efecto de los electrones negativos en el polvo suelto. Durante veinte años, se ha puesto "un yeso pegajoso" sobre este problema. El nuevo enfoque de Wayland tiene como objetivo eludir estos problemas desde el principio.

Según Hansford, el proceso NeuBeam emplea una técnica en la que "se neutraliza todo el sistema, que es completamente diferente a todos los demás sistemas EBM". Este enfoque único convierte a Wayland Additive en la única empresa que actualmente proporciona un sistema neutral en eBeam.

El primer sistema comercial de fabricación aditiva de metal NeuBeam de Wayland Additive, conocido como Calibur3, se lanzó en marzo de 2021.

El proceso NeuBeam se presta bien a aplicaciones con materiales de alta temperatura o difíciles de procesar. "Materiales de alta temperatura, materiales que son difíciles de procesar, cosas que son ópticamente difíciles, como materiales reflectantes de cobre, o donde la temperatura es un problema y se agrieta", explicó Hansford. Su tecnología les permite imprimir materiales totalmente densos y difíciles de procesar, como el tungsteno.

Tamaño del mercado para la fabricación aditiva por haz de electrones

Cuando se le preguntó sobre el mercado potencial para esta tecnología, Hansford expresó optimismo sobre el crecimiento del mercado direccionable. Sin embargo, también destacó los desafíos asociados con la introducción de nuevas tecnologías para competir con los métodos de fabricación tradicionales. Hansford se puso en el lugar de un posible cliente de fabricación y dijo: "Si voy a adoptar aditivos y realizar un cambio en el proceso mediante el cual fabrico estas piezas, si tengo que hacer concesiones en el material y el proceso es nuevo , eso se vuelve difícil".

A pesar de estos desafíos, Wayland Additive cree que tiene la clave para desbloquear el mercado. No se ven a sí mismos compitiendo con la fabricación aditiva de metal basada en láser, sino que buscan aplicaciones que no se pueden resolver hoy. Con su visión y proyecciones de negocio, prevén una trayectoria de crecimiento acelerado, estimando que podrían ser una empresa de £150 millones para 2030.

Hansford también compartió cómo su equipo, con más de 150 años de experiencia combinada en la fabricación industrial de haces de electrones, la industria de semiconductores, alto voltaje y ventas y aplicaciones de aditivos, contribuyó al éxito de Wayland. Esta riqueza de experiencia ha sido esencial para superar los desafíos y hacer realidad la visión de la empresa.

Al final, el núcleo del enfoque de Wayland Additive radica en su proceso NeuBeam, cuyo objetivo es neutralizar el haz de electrones. Es este proceso el que la compañía cree que podría ser un "cambio de juego en la reducción del costo de construcción". Con estos desarrollos futuros en mente, Wayland Additive busca ampliar los límites de la tecnología de fabricación aditiva.

¿Cómo funciona NeuBeam?

Peter Hansford explicó el proceso de creación de piezas utilizando la tecnología EB de Wayland Additive, detallando los beneficios del proceso NeuBeam. A diferencia de los sistemas láser tradicionales, en los que el láser se mueve de un punto a otro, calentando el polvo metálico, lo que conduce a un enfriamiento rápido y a la consiguiente tensión del material, el enfoque de Wayland permite un proceso de enfriamiento más controlado y modulado, lo que reduce el riesgo de grietas en los materiales que pueden dañarse. difíciles de trabajar, como el tungsteno y la superaleación a base de níquel Inconel 247.

La tecnología EB de Wayland tiene un sistema neutralizado que permite que el haz se use en múltiples lugares y múltiples veces. De hecho, 64 piscinas de fusión pueden estar activas simultáneamente. Esto también permite cambios en la estructura cristalina de la pieza que se está fabricando, lo que ayuda a lograr los requisitos metalúrgicos específicos necesarios. Esto incluye la capacidad de escanear un área en una dirección y luego escanearla en una dirección diferente, creando cristales más pequeños y rompiendo la estructura.

Hansford enfatiza aún más la adición de monitoreo en el proceso, que involucra cámaras de alta velocidad que observan el proceso. Este monitoreo permite mediciones de temperatura precisas, proporcionando datos sobre la interacción entre el haz y el material. Con esta información, los desarrolladores pueden ajustar el proceso y desarrollar nuevos conjuntos de parámetros.

Curiosamente, el sistema también se describe como un "sistema abierto", que permite a los usuarios explorar nuevos parámetros de procesamiento sin temor a causar problemas importantes o fallas en el sistema. Hansford da un ejemplo del desarrollo de conjuntos de parámetros para el tungsteno, un proceso que se aceleró y simplificó enormemente con el sistema de Wayland.

El sistema de monitoreo en proceso también contribuye a garantizar la garantía de calidad por capas. "Hay dos aspectos en el control del proceso. Uno es la garantía de calidad y el otro es el desarrollo de materiales y el desarrollo de procesos", dijo Hansford. Con la ayuda de la inteligencia artificial, Wayland está investigando lo que hace que un "buen derretimiento" en colaboración con universidades.

El trabajo de Wayland en este sentido también incluye esfuerzos para comprender mejor los estándares de garantía de calidad para la fabricación aditiva, nuevamente en colaboración con universidades. El objetivo es mantener un alto nivel de calidad a lo largo de la construcción, minimizando así la aparición de defectos.

¿Cómo se comparan los diferentes procesos de aditivos metálicos?

A medida que avanzaba la discusión, profundizamos en las complejidades de las tecnologías aditivas de haz de electrones (EB) y fusión de lecho de polvo láser (LPBF) y comparamos sus matices en términos de transferencia de energía, metalurgia, tensión y productividad.

Hansford aclaró cómo los láseres, que consisten en fotones, presentan un desafío diferente en el suministro de energía, ya que su medición de energía no es sencilla. Mientras que para Electron Beam, la entrega de energía es en gran parte cinética, agitando partículas para inducir la fusión. Con los láseres, medir la potencia entregada a la cama de impresión o cuán reflectante es el polvo es complicado. Con LPBF, dice Hansford, "puede tener una idea de cuánta energía se ha entregado después de la construcción con las piezas y si es suficiente o no". Él explica que, si bien el proceso produce resultados de calidad, surgen problemas con la forma en que los valores del láser y la óptica cambian con el tiempo, lo que dificulta el control preciso.

Por el contrario, Hansford destacó las ventajas de la tecnología de haces de electrones. Con los electrones, la entrega de energía se puede medir con precisión, ya que puede discernir el voltaje en la parte superior e inferior del sistema, y ​​así comprender cuánta energía se está transfiriendo. A diferencia de los láseres, los haces de electrones pueden enviar energía a múltiples puntos simultáneamente, con hasta múltiples charcos de fusión posibles, lo que permite un enfriamiento más lento y controlado. Esto hace que el proceso sea eficiente y menos propenso al estrés térmico, ya que la pieza permanece caliente durante todo el proceso. Hansford enfatizó que la tecnología de haz de electrones de Wayland se destaca en la fabricación de piezas grandes y voluminosas con un estrés mínimo.

Los láseres, a pesar de sus desafíos, son ampliamente utilizados debido a su fácil accesibilidad y montaje relativamente simple. Sin embargo, su uso presenta limitaciones, especialmente con piezas más grandes, ya que el proceso requiere un espesor de sustrato importante y anclajes para mantener la pieza en su lugar. Luego, estas piezas requieren un procesamiento posterior, como tratamiento térmico y eliminación del soporte, lo que aumenta el tiempo y los costos.

Por el contrario, el proceso de Wayland necesita menos apoyo, lo que lleva a tiempos de enfriamiento más prolongados pero a piezas relajadas y libres de estrés. A diferencia de los sistemas láser, su método no da como resultado una gran masa sólida de material no utilizado, la torta de polvo, lo que ahorra una cantidad significativa de tiempo y recursos. Hansford cita que hasta un tercio del tiempo de construcción podría dedicarse a sinterizar la torta en ciertos procesos, lo que hace que el enfoque de Wayland sea una opción potencialmente más económica.

Aplicaciones de fabricación aditiva por haz de electrones

Pasando a las aplicaciones, Hansford citó las industrias médica y nuclear como ejemplos. En el campo de la medicina, las tecnologías aditivas pueden proporcionar una ventaja de costos para las empresas que fabrican implantes. Si los costos se pueden reducir en un tercio mientras se simplifica el posprocesamiento, presenta un ahorro sustancial y un mayor potencial para los procesos de AM.

Para la industria nuclear, la fabricación de elementos como blindaje o piezas para reactores de fusión presenta una posibilidad interesante. Otra aplicación potencial es en palas de alta temperatura para turbinas alimentadas con hidrógeno, que podrían fabricarse utilizando métodos aditivos.

Otros avances potenciales incluyen cerámica para hipersónicos e incluso la electrificación de vehículos pesados ​​con bobinados de cobre únicos para mayor eficiencia. A diferencia de los láseres, que pueden requerir una aleación de cobre, el método de haz de electrones puede usar cobre puro, lo que mejora la conductividad.

Hansford, dio más detalles sobre la importancia de la inversión inicial de Longwall Ventures y otros inversores. Esta financiación de 3 millones de libras esterlinas fue un factor importante que permitió a la empresa establecer su primera instalación, diseñar Calibur, su producto principal, y formar un equipo a su alrededor.

La inyección financiera ofreció al equipo el margen de maniobra necesario para traducir la prueba de concepto que habían desarrollado con la financiación de Innovate UK en un producto comercial. Los ingresos de las rondas de financiación posteriores (una ronda de £5 millones y una ronda más reciente de £4,6 millones) facilitaron el aumento de la producción y la expansión en cinco instalaciones, cada una diseñada para satisfacer sus diferentes necesidades.

En particular, la compañía ha atraído el interés de varios inversores en diferentes rondas. Estos incluyen Parkwalk Advisors, Metrea, una empresa especializada en adquirir y encontrar soluciones para aplicaciones militares, y el Fondo de Inversión Estratégica de Seguridad Nacional (NSSIF), el brazo de riesgo corporativo del gobierno del Reino Unido. NSSIF considera que Wayland Additive es estratégico para el Reino Unido, con aplicaciones que incluyen el uso en el caza de combate Tempest de BAE Systems programado para entrar en servicio en 2035.

NSSIF sirve como centro de conocimiento del gobierno para el financiamiento de empresas y tecnología de doble uso para la seguridad y la defensa nacional. La organización combina el conocimiento del gobierno, los sectores de seguridad y defensa, así como las industrias de tecnología y capital de riesgo.

El interés de Metrea está específicamente en brindar soluciones a las fuerzas armadas, que podrían abarcar desde el reabastecimiento de combustible de los aviones hasta la simplificación de los largos procesos de adquisición. Como señala Hansford, la inversión continua ha sido fundamental para permitir que Wayland comience a enviar su producto a los clientes, incluida la Royal Air Force (RAF) del Reino Unido y Canadian Exergy Solutions, donde el sistema se usa para aplicaciones de petróleo y gas. La tecnología de Wayland también tiene como destino Alemania y Japón en un futuro próximo.

Al abordar los desafíos de la empresa, Hansford identifica como factores los problemas de la cadena de suministro, en particular la escasez de conjuntos de chips y cerámica. Hansford también reconoce que la plataforma, ahora en manos de los clientes, aún no se ha probado por completo. "Técnicamente, creo que estamos en una buena base", dijo, "ahora estamos recibiendo comentarios, que es lo que necesitamos". La empresa espera que la plataforma madure de manera espectacular en los próximos dos o tres años, ya que trabajan en estrecha colaboración con los clientes para adaptar su enfoque a fin de satisfacer las diferentes necesidades.

Al concluir sus pensamientos, Hansford enfatiza que Wayland Additive no se trata de promocionar la tecnología sino de resolver problemas y construir relaciones a largo plazo. La empresa no solo está interesada en fabricar un producto y tratar de venderlo; están interesados ​​en crear soluciones impactantes y cambiar su enfoque para satisfacer las necesidades de los clientes. Dan la bienvenida a los clientes para que propongan mejoras o innovaciones potenciales que serían beneficiosas para ellos. Este tipo de enfoque colaborativo y orientado al cliente es lo que Hansford cree que seguirá impulsando el éxito de Wayland Additive.

¿Qué depara el futuro de la impresión 3D?

¿Qué desafíos de ingeniería deberán abordarse en el sector de la fabricación aditiva en la próxima década?

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La imagen destacada muestra el lecho de polvo de Calibur3. Foto vía Aditivo Wayland.

Michael Petch es el editor en jefe de 3DPI y autor de varios libros sobre impresión 3D. Es un orador principal habitual en conferencias de tecnología donde ha realizado presentaciones como la impresión 3D con grafeno y cerámica y el uso de la tecnología para mejorar la seguridad alimentaria. Michael está más interesado en la ciencia detrás de la tecnología emergente y las implicaciones económicas y sociales que la acompañan.