定向能量沉积工艺，不仅限于零件修复

定向能量沉积（DED）的用途是什么？现在，对这个问题的答案正在发生改变。事实上，这项增材制造工艺技术已经发生了很大的变化。长期以来，业界对“DED的作用”这个问题的简短回答通常是“修复”。

但在修复工具或涡轮叶片等现有部件时，锁定金属位置的能力就显得弥足珍贵了。无论何时，都没有人声称维修是DED的唯一用途，但维修一直以来都是DED的独特优势。

定向能量沉积是如何工作的？
DED工艺首先使用CAD软件创建三维模型。然后用软件将该模型切成若干层，以表示制作成品工件所需的各层。定向能量沉积的工作原理是将熔化的材料沉积到指定表面，使其凝固，从而将材料融合在一起形成结构。定向能量沉积设备通常使用安装在多轴臂上的喷嘴，多轴臂可向多个方向移动，从而实现可变沉积。

定向能量沉积工作原理解析图

该工艺通常在氧气含量较低的受控室内进行。基于电子束的系统在真空环境中进行，而基于激光的系统在处理活性金属时则使用完全惰性的腔室。在金属3D打印过程中，还可以使用屏蔽气体对部件进行保护，防止污染。

DED使用热源熔化粉末或金属丝，然后将其沉积到物体表面。粉末沉积的精度更高，而金属丝沉积的材料使用效率更高。材料逐层添加，并从熔池中凝固，形成新的特征。层厚度通常为0.25毫米至0.5毫米。材料冷却时间非常快，约为每秒1000-5000 °C。冷却时间会影响最终的晶粒结构，但材料中的重叠会导致重新熔化，从而形成均匀但交替的微观结构。

在大多数情况下，当机械臂移动铺放材料时，物体保持在固定位置。不过，如果使用一个平台，这种情况也可以逆转，平台可以移动，而机械臂则保持静止。

DED工艺通常用于金属零件，也可用于聚合物和陶瓷。几乎所有可焊接金属都可以使用DED 进行增材制造，包括铝、镍镉合金、铌、不锈钢、钽、钛和钛合金以及钨。

定向能量沉积的优劣势
定向能量沉积的优势包括能够控制晶粒结构，这使得该工艺可用于修复高质量的功能部件。这需要在精度和速度之间取得平衡，因为速度越快，精度越低，微观结构的一致性也越差。

DED可以用最少的工具生产相对较大的零件。这种工艺还可以使用多种不同成分的材料，制造出成分梯度或混合结构的部件。但另一方面，根据所用材料的不同，制作的表面效果也会不同，可能需要进行一些后处理才能达到理想的效果。用于DED的材料仍然相对有限，基于熔融的工艺仍需进一步研究才能成为主流。

研究表明，在制造中等尺寸的金属零件时，定向能量沉积比粉末床熔融快十倍，成本低五倍。这项研究测试了这两种方法在制造直径150毫米、高200毫米的铬镍铁合金金属零件时的效果。该零件的几何形状设计为无支撑结构，以确保参数的可比性。

与PBF技术相比，DED的材料使用以及冷却和构建时间都大大缩短，优势显而易见。通常情况下，定向能量沉积可用于制造零件，但一般用于维修或为现有零件添加材料。一般来说，定向能量沉积的应用分为三类：近净形零件、特征添加和修复。

改变对定向能量沉积的认知
首先，定向能量沉积的实用选择范围已经扩大。除铺粉系统外，线馈系统现在至少也可以使用，甚至更容易使用。后者的沉积速度更快，可以比以前更快、更便宜地制造完整的金属零件和大型金属零件。它们还提高了易用性，因为线轴使材料处理变得简单。此外，冷喷射增材制造系统的出现使金属沉积没有了液固转换的困难。这种类型的金属3D打印也是DED，只是“定向能量”用于推进而不是熔化。

其次是对铸造的质疑，其发展速度与前者大致相同。增材无法与铸造的最佳速度和经济性相媲美，但铸造能力是有限的，就像所有有限资源一样，能力也会被分配。最适合铸造的生产量的生产部件继续以这种方式制造，但随着这些工作填满铸造厂的计划表，那些对铸造来说微不足道或不理想的工作则被安排得更远。

备件和低产量生产就属于这种情况。同样的现象也适用于锻造能力。为了摆脱这种供应限制，也为了摆脱为使用寿命较长的零件维护模具的需要，原始设备制造商和零件买家越来越多地重新审视增材制造，并对其给予不同的评价。因此，随着DED在制造零件方面的能力不断提高，对既有零件制造的限制也为其提供了更多的发展空间。

最近，各种报道提供了不同DED的实际应用图片，无论是铺粉系统、送丝系统还是冷喷系统。这些应用包括增加功能，包括为生产部件增加一个简单的功能，或为一个部件增加更复杂的功能，而这个部件一开始就是通过粉末熔融熔化制造的。

这些应用还包括使用DED制造完整的零件，且种类繁多。从独特系统中的替换零件到铸件的小批量替代品，再到DED能够完全替代锻造或铸造的合格生产硬件。此外，DED在维修方面也很出色。作为对涡轮叶片维修的补充，可以考虑对大型涡轮轴进行维修。

增材制造行业发展至今，每一种工艺都在不断进步，而DED是一种全新的、仍然年轻的制造工艺，其市场潜力仍有待挖掘。DED可以增加功能、进行维修和生产批量零件。这些用途一直存在，但现在我们知道，DED适合所有这些用途，这也许超出了预期。对于我们自认为“了解”的任何快速成型工艺，对于任何应用似乎已经确定的工艺，都应该保持关注。所有这些技术仍在不断发展和变化，还没有定论。