[INTERVIEW] Peter Hansford, Wayland Additive CRO, fabrication additive métallique de « plus haut calibre » par faisceau d'électrons

Dec 11, 2023

Wayland Additive, basée au Royaume-Uni, innove dans l'industrie de la fabrication additive métallique en proposant une approche innovante de la technologie de fabrication par faisceau d'électrons. Leur solution, baptisée procédé NeuBeam, tente d'atténuer les problèmes de longue date qu'ils voient avec la fusion par faisceau d'électrons traditionnelle (EBM). Ces problèmes ont entravé une adoption plus large des technologies EBM, malgré leurs avantages pour des applications spécifiques et en termes d'assurance qualité et de surveillance des processus.

Peter Hansford, CRO de Wayland Additive, a souligné les différences fondamentales entre la fabrication additive par faisceau d'électrons et par laser lors de cet entretien avec 3D Printing Industry. "Le faisceau d'électrons et le laser sont fondamentalement différents en ce sens qu'il s'agit d'un processus à chaud et d'un processus à froid. Il y a des limites aux deux, pas que l'un soit meilleur que l'autre. C'est juste différent", a expliqué Hansford.

Les technologies de faisceau d'électrons sont généralement déployées pour des pièces plus grandes qui subiraient des contraintes importantes lors d'un processus laser en raison du processus de chauffage. Cependant, le faisceau d'électrons n'a pas été largement adopté car "c'est un processus difficile à gérer", en partie à cause de l'effet des électrons négatifs sur la poudre libre. Depuis vingt ans, "un sparadrap" a été mis sur ce problème. La nouvelle approche de Wayland vise à contourner ces problèmes dès le départ.

Selon Hansford, le procédé NeuBeam utilise une technique où "l'ensemble du système est neutralisé, ce qui est complètement différent de tous les autres systèmes EBM existants". Cette approche unique fait de Wayland Additive la seule entreprise à fournir actuellement un système neutre dans eBeam.

Le premier système commercial de fabrication additive métallique NeuBeam de Wayland Additive, connu sous le nom de Calibur3, a été lancé en mars 2021.

Le procédé NeuBeam se prête bien aux applications avec des matériaux à haute température ou difficiles à traiter. "Matériaux à haute température, matériaux difficiles à traiter, choses qui sont soit optiquement difficiles, comme les matériaux réfléchissants en cuivre, soit où la température est un problème et se fissure", a expliqué Hansford. Leur technologie leur permet d'imprimer des matériaux entièrement denses et difficiles à traiter, tels que le tungstène.

Taille du marché de la fabrication additive par faisceau d'électrons

Interrogé sur le marché potentiel de cette technologie, Hansford a exprimé son optimisme quant à la croissance du marché adressable. Cependant, il a également souligné les défis associés à l'introduction de nouvelles technologies pour concurrencer les méthodes de fabrication traditionnelles. Se mettant à la place d'un client fabricant potentiel, Hansford a déclaré : « Si je vais adopter un additif et subir un changement dans le processus par lequel je fabrique ces pièces, si je dois faire des compromis sur le matériau et que le processus est nouveau, cela devient difficile.

Malgré ces défis, Wayland Additive pense avoir la clé pour débloquer le marché. Ils ne se voient pas en concurrence avec la fabrication additive métallique basée sur le laser, mais recherchent plutôt des applications qui ne peuvent pas être résolues aujourd'hui. Avec leur vision et leurs projections commerciales, ils prévoient une trajectoire de croissance accélérée, estimant qu'ils pourraient être une entreprise de 150 millions de livres sterling d'ici 2030.

Hansford a également expliqué comment son équipe, avec plus de 150 ans d'expertise combinée dans la fabrication industrielle de faisceaux d'électrons, l'industrie des semi-conducteurs, la haute tension et la vente et les applications d'additifs, a contribué au succès de Wayland. Cette richesse d'expérience a été essentielle pour surmonter les défis et concrétiser la vision de l'entreprise.

Au final, le cœur de l'intérêt de Wayland Additive réside dans son procédé NeuBeam, qui vise à neutraliser le faisceau d'électrons. C'est ce processus qui, selon l'entreprise, pourrait « changer la donne en réduisant le coût de construction ». Avec ces développements futurs à l'esprit, Wayland Additive cherche à repousser les limites de la technologie de fabrication additive.

Comment fonctionne NeuBeam ?

Peter Hansford a expliqué le processus de création de pièces à l'aide de la technologie EB de Wayland Additive, détaillant les avantages du processus NeuBeam. Contrairement aux systèmes laser traditionnels, où le laser se déplace d'un point à l'autre, chauffant la poudre métallique, ce qui entraîne un refroidissement rapide et une contrainte ultérieure sur le matériau, l'approche de Wayland permet un processus de refroidissement plus contrôlé et modulé, réduisant le risque de fissures dans les matériaux qui peuvent être difficiles à travailler, comme le tungstène et le superalliage à base de nickel Inconel 247.

La technologie EB de Wayland dispose d'un système neutralisé qui permet d'utiliser le faisceau à plusieurs endroits et à plusieurs reprises. En fait, 64 bassins de fonte peuvent être actifs simultanément. Cela permet également de modifier la structure cristalline de la pièce en cours de fabrication, aidant à atteindre les exigences métallurgiques spécifiques nécessaires. Cela inclut la possibilité de balayer une zone dans une direction, puis de la balayer dans une direction différente, créant des cristaux plus petits et brisant la structure.

Hansford insiste en outre sur l'ajout de la surveillance en cours de processus, qui implique des caméras à grande vitesse surveillant le processus. Cette surveillance permet des mesures de température précises, fournissant des données sur l'interaction entre le faisceau et le matériau. Avec ces informations, les développeurs peuvent affiner le processus et développer de nouveaux ensembles de paramètres.

Fait intéressant, le système est également décrit comme un « système ouvert », permettant aux utilisateurs d'explorer de nouveaux paramètres de traitement sans craindre de causer des problèmes importants ou des défaillances du système. Hansford donne un exemple de développement d'ensembles de paramètres pour le tungstène, un processus qui a été grandement accéléré et simplifié grâce au système de Wayland.

Le système de surveillance en cours de processus contribue également à garantir une assurance qualité par couche. "Il y a deux aspects à la surveillance en cours de fabrication. L'un est l'assurance qualité, et l'autre est le développement de matériaux et le développement de processus", a déclaré Hansford. Avec l'aide de l'intelligence artificielle, Wayland étudie ce qui fait une "bonne fusion" en collaboration avec des universités.

Le travail de Wayland à cet égard comprend également des efforts pour mieux comprendre les normes d'assurance qualité pour la fabrication additive, toujours en collaboration avec des universités. L'objectif est de maintenir un haut niveau de qualité tout au long de la construction, minimisant ainsi l'apparition de défauts.

Comment se comparent les différents processus d'additifs métalliques?

Au fur et à mesure que la discussion se poursuivait, nous nous sommes penchés sur les subtilités des technologies additives de faisceau d'électrons (EB) et de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et avons comparé leurs nuances en termes de transfert d'énergie, de métallurgie, de contrainte et de productivité.

Hansford a expliqué comment les lasers, constitués de photons, présentent un défi différent dans la fourniture de puissance car leur mesure d'énergie n'est pas simple. Alors que pour le faisceau d'électrons, la puissance délivrée est en grande partie cinétique, remuant les particules pour induire la fusion. Avec les lasers, mesurer la puissance délivrée au lit d'impression ou le degré de réflexion de la poudre est délicat. Avec LPBF, Hansford dit : « Vous pouvez en quelque sorte avoir une idée de la quantité de puissance qui a été fournie après la construction avec les pièces et si elle est suffisante ou non. Il explique que bien que le processus produise une sortie de qualité, des problèmes surviennent avec la façon dont les valeurs laser et l'optique changent au fil du temps, ce qui rend difficile un contrôle précis.

En revanche, Hansford a souligné les avantages de la technologie du faisceau d'électrons. Avec les électrons, la puissance délivrée peut être mesurée avec précision car vous pouvez discerner la tension en haut et en bas du système, ce qui permet de comprendre la quantité de puissance transférée. Contrairement aux lasers, les faisceaux d'électrons peuvent fournir de l'énergie à plusieurs points simultanément, avec jusqu'à plusieurs bassins de fusion possibles, permettant un refroidissement plus lent et plus contrôlé. Cela rend le processus efficace et moins sujet aux contraintes thermiques, car la pièce reste chaude tout au long du processus. Hansford a souligné que la technologie de faisceau d'électrons de Wayland excelle dans la fabrication de pièces volumineuses et volumineuses avec un minimum de contraintes.

Les lasers, malgré leurs défis, sont largement utilisés en raison de leur accessibilité facile et de leur assemblage relativement simple. Cependant, leur utilisation présente des limites, en particulier avec des pièces plus grandes, car le procédé nécessite une épaisseur de substrat importante et des ancrages pour maintenir la pièce en place. Ces pièces nécessitent ensuite un post-traitement, tel qu'un traitement thermique et un retrait du support, ce qui augmente le temps et les coûts.

En revanche, le processus de Wayland nécessite moins de supports, ce qui entraîne des temps de refroidissement plus longs mais des pièces détendues et sans stress. Contrairement aux systèmes laser, leur méthode ne génère pas une grande masse solide de matériau inutilisé, le gâteau de poudre, ce qui permet d'économiser beaucoup de temps et de ressources. Hansford cite que jusqu'à un tiers du temps de construction pourrait être consacré au frittage du gâteau dans certains processus, faisant de l'approche de Wayland une option potentiellement plus économique.

Applications de fabrication additive par faisceau d'électrons

Passant aux applications, Hansford a cité les industries médicales et nucléaires comme exemples. Dans le domaine médical, les technologies additives peuvent offrir un avantage de coût aux entreprises fabriquant des implants. Si les coûts peuvent être réduits d'un tiers tout en simplifiant le post-traitement, cela présente une économie substantielle et un potentiel accru pour les processus AM.

Pour l'industrie nucléaire, la fabrication d'éléments tels que des blindages ou des pièces pour réacteurs à fusion présente une possibilité passionnante. Une autre application potentielle concerne les pales à haute température pour les turbines à hydrogène, qui pourraient être fabriquées à l'aide de méthodes additives.

D'autres avancées potentielles incluent la céramique pour l'hypersonique et même l'électrification des poids lourds avec des enroulements en cuivre uniques pour plus d'efficacité. Contrairement aux lasers, qui peuvent nécessiter un alliage de cuivre, la méthode du faisceau d'électrons peut utiliser du cuivre pur, améliorant ainsi la conductivité.

Hansford, a donné plus de détails sur l'importance de l'investissement initial de Longwall Ventures et d'autres investisseurs. Ce financement de 3 millions de livres sterling a été un catalyseur important, permettant à l'entreprise de mettre en place sa première installation, de concevoir Calibur - son produit principal, et de constituer une équipe autour de lui.

L'injection financière a offert à l'équipe la marge de manœuvre nécessaire pour traduire la preuve de concept qu'elle avait développée avec le financement d'Innovate UK en un produit commercial. Le produit des cycles de financement ultérieurs - un cycle de 5 millions de livres sterling et un cycle plus récent de 4,6 millions de livres sterling - a facilité la mise à l'échelle de la production et l'expansion dans cinq installations, chacune adaptée pour répondre à leurs besoins variés.

Notamment, la société a suscité l'intérêt de divers investisseurs à travers différents cycles. Il s'agit notamment de Parkwalk Advisors, Metrea - une société spécialisée dans l'approvisionnement et la recherche de solutions pour les applications militaires - et le National Security Strategic Investment Fund (NSSIF), la branche de capital-risque du gouvernement britannique. Le NSSIF considère Wayland Additive comme stratégique pour le Royaume-Uni, avec des applications telles que l'utilisation sur le chasseur de combat BAE Systems Tempest qui devrait entrer en service en 2035.

Le NSSIF sert de centre de connaissances du gouvernement pour le financement du capital-risque et la technologie à double usage pour la sécurité nationale et la défense. L'organisation combine les connaissances du gouvernement, des secteurs de la sécurité et de la défense, ainsi que des industries de la technologie et du capital-risque.

L'intérêt de Metrea est spécifiquement de fournir des solutions aux militaires, qui pourraient aller du ravitaillement des avions à réaction à la rationalisation des longs processus d'approvisionnement. Comme le note Hansford, l'investissement continu a été déterminant pour permettre à Wayland de commencer à expédier son produit à des clients, notamment la Royal Air Force (RAF) du Royaume-Uni et Canadian Exergy Solutions, où le système est utilisé pour des applications pétrolières et gazières. La technologie de Wayland est également destinée à l'Allemagne et au Japon dans un futur proche.

Abordant les défis de l'entreprise, Hansford identifie les problèmes de chaîne d'approvisionnement, en particulier les pénuries de chipsets et de céramiques, comme facteurs. Hansford reconnaît également que la plate-forme, désormais entre les mains des clients, n'a pas encore fait ses preuves. "Techniquement, je pense que nous sommes sur de bonnes bases", a-t-il déclaré, "maintenant nous recevons des commentaires, c'est ce dont nous avons besoin." La société s'attend à ce que la plate-forme mûrisse de manière assez spectaculaire au cours des deux à trois prochaines années, car elle travaille en étroite collaboration avec les clients pour adapter son approche afin de répondre à des besoins variés.

En conclusion de ses réflexions, Hansford souligne que Wayland Additive ne consiste pas à dynamiser la technologie, mais à résoudre des problèmes et à établir des relations à long terme. L'entreprise n'est pas seulement intéressée à fabriquer un produit et à essayer de le vendre ; ils souhaitent créer des solutions percutantes et faire évoluer leur approche pour répondre aux besoins des clients. Ils accueillent les clients pour proposer des améliorations potentielles ou des innovations qui leur seraient bénéfiques. Ce type d'approche collaborative et orientée client est ce qui, selon Hansford, continuera d'être le moteur du succès de Wayland Additive.

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L'image en vedette montre le lit de poudre du Calibur3. Photo via l'additif Wayland.

Michael Petch est le rédacteur en chef de 3DPI et l'auteur de plusieurs livres sur l'impression 3D. Il est régulièrement conférencier principal lors de conférences sur la technologie où il a fait des présentations telles que l'impression 3D avec du graphène et de la céramique et l'utilisation de la technologie pour améliorer la sécurité alimentaire. Michael s'intéresse particulièrement à la science derrière les technologies émergentes et aux implications économiques et sociales qui en découlent.