定向能量沉積工藝獲得可靠性的新里程碑

魔猴君  行業資訊   2104天前

談到金屬3D打印，我們關注的焦點通常是SLM粉末平臺選區激光熔融金屬3D打印技術，而容易忽略定向能量沉積-DED技術。DED技術由激光或其他能量源在沉積區域產生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區，熔化后逐層沉積，稱之為激光定向能量沉積3D打印技術。而DED技術分類中的激光金屬粉末沉積技術（laser metal deposition-LMD)，則是以激光為能量源，并以金屬粉末為加工材料。

不僅僅專注于基于粉末平臺的選區金屬熔化3D打印技術應用。西門子對激光金屬粉末沉積技術也保有積極的開發與應用心態。近日，西門子與其合作伙伴開發出一種解決方案，可以比以前更有效地提高激光金屬粉末沉積技術（laser metal deposition-LMD)中金屬3D打印的工藝穩定性。該解決方案為不斷發展的3D打印技術打開了應用深化的大門。

圖片：激光金屬粉末沉積技術（laser metal deposition-LMD)，來源西門子

-獨特的優勢

眾所周知，西門子關于3D打印的應用視野遠遠超出了其正在應用的渦輪燃氣機及航空航天應用領域，就在去年，西門子還與Hackrod合作全球首款通過虛擬現實來設計的跑車。

西門子對于3D打印的雄心壯志需要專心致志的研發力量來推動技術與應用的發展與結合。事實上，西門子正在加強推動3D打印技術的開發工作。在位于慕尼黑的西門子企業技術（CT）實驗室，激光沉積焊接的過程中逐層構建金屬組件，機器以不同的速度移動激光束，有時緩慢有時快速，通過這種方式，研究人員可以平滑不均勻的位置，這樣就可以最終生產出更加完美的近凈形部件。

與SLM粉末平臺選區激光熔融金屬3D打印技術不同的是，定向能量沉積-DED技術不依賴于壓力室，壓力室可以保護金屬3D打印過程免受周圍環境的影響。對于SLM粉末平臺選區激光熔融金屬3D打印過程，工作區域必需首先充滿惰性氣體，這是一個費時的過程。而對于定向能量沉積-DED技術分類中的激光金屬粉末沉積技術（laser metal deposition-LMD)來說，3D打印加工過程可以立即開始，因為惰性氣體直接從激光頭流出并包圍粉末流和熔池。

除此之外，激光金屬粉末沉積技術-LMD技術允許激光頭和工件更靈活地移動，從而為增加設計自由度和生產更大的部件打開了大門 – 這在航空工業和渦輪機技術等領域具有潛在優勢。

LMD通常不需要任何支撐構造，這方面與粉末平臺方法相比具有顯著優勢。

并且激光金屬沉積適合加工合金。傳統制造領域，雙金屬復合界面的結合方式多采用機械結合型復合或冶金結合型。LMD技術相比于傳統加工工藝在雙金屬的加工方面具有著突出的優勢。

鑒于這些優勢，西門子企業技術（CT）實驗室正在與西門子數字工廠部門合作，在工業生產中更加牢固地提高和應用LMD技術。

圖片來源：西門子

-對厚度多一點控制

但是，在LMD充分發揮其潛力之前，還有大量工作要做。例如，該過程不如SLM精確。因此，成品部件通常必需進行再加工，這就解釋了為什么LMD機器通常與工業設施中的銑床相結合。這種混合3D打印系統目前在全世界范圍內得到了一些應用推廣，包括為飛機渦輪引擎機和滾柱軸承生產精確的部件。

考慮到定向能量沉積金屬3D打印技術的這一缺點，西門子現在專注于如何使混合3D打印系統更快，更經濟地運行。具體來說，他們正在研究LMD工藝的關鍵部分：如何更有效的控制金屬層的厚度，這決定了3D打印部件的尺寸。這些厚度可能因多種原因而有所不同 – 例如，如果材料流以無計劃的方式發生變化。再例如如果由機器人臂承載的打印頭的速度波動，厚度也可能發生變化。

為了解決這個問題，西門子企業技術（CT）實驗室正在參與名為PARADDISE的歐盟開發項目，提高LMD3D打印工藝的可控性。除西門子外，該項目的成員還包括西班牙機床制造商Ibarmia，RWTH Aachen大學和Precitec，后者是德國激光材料加工和光學測量技術專家。

亞琛工業大學為該項目的開發過程貢獻了一項開創性的發明。該團隊開發了一種控制技術，其中Precitec傳感器可計算出已鋪設的每個金屬層的精確厚度。為了實現這一點，控制程序使用測量光學干涉的傳感器來比較部件的計劃高度與其實際高度。然后可以通過改變建造速度來調節層的厚度。這是一個標志性事件式的結果，通過這種自動調節過程，使混合3D打印設備能夠更快地生產組件，因為坯料需要較少的后續工藝。并且它還需要更少的能源和材料。這反過來又降低了高質量金屬部件的制造成本。

圖片來源：西門子

魔猴網總結：

-DED技術突飛猛進

DED定向能量沉積3D打印技術正在整體迎來技術發展過程中的標志性事件。此前三菱電宣布開發出高精度定向能量沉積3D打印設備，2021年將實現商業化。三菱電機表示該技術的其中一個優勢是顯著提高了精度，與連續成型技術相比，精度提高了60%。除此之外，與傳統技術相比，氧化問題可以減少20%以上，因為高溫區域限于窄點形成區域。

而關于定向能量沉積3D打印設備的加工速度與精度，德國Fraunhofer激光技術研究所開發了EHLA超高速激光材料沉積技術。根據魔猴網的市場研究，該技術可用于涂層和修復金屬部件。超高速激光材料沉積技術（EHLA）具有替代當前腐蝕和磨損保護方法如硬鍍鉻和熱噴涂的潛力。并且EHLA方法加工出來的涂層是無孔的，從而改善粘合情況并降低裂紋和孔隙的發生的可能性。 除此之外，根據Fraunhofer，EHLA技術比熱噴涂節約90％的材料。

除此之外，根據魔猴網的市場觀察，德國Fraunhofer 激光技術研究所還正在開發基于金屬線材激光沉積的創新技術（wire-based laser metal deposition，LMD-W）。