定向能量沉积(DED)技术：工艺原理、优势与局限全面解析

什么是定向能量沉积(DED)？

定向能量沉积（DED），也称导向能量沉积，是一种增材制造（3D打印）方法。将能量源聚焦于源材料一点形成小熔池，向熔池添加送丝/送粉材料，以在工件上沉积新材料。下文将详述DED可用能量源、不同送料系统、优缺点。

DED如何工作？

DED通过将制造构件特定区域加热至熔点，然后添加送料材料工作。打印头沿构建路径移动，熔池随送料材料沉积在主体上固化。

定向能量源（激光、电子束或电弧）位于打印头中心，送料材料相邻。送料可为丝材或粉末。丝材以角度送入，在能量源焦点熔化。粉末则由惰性气体通过同心喷嘴输送，导向熔点。

打印头有多平面运动。可安装在多轴CNC头或关节机械臂上。详见增材制造类型指南。

使用DED技术的优势

1. 较大构建体积： DED打印头通常安装在多轴CNC头或关节臂上，覆盖面积远大于其他3D打印方法（尤其是金属打印）。打印件可超1立方米。
2. 多材料兼容： 许多送料材料兼容DED制造。可通过粉末混合或多丝材送入引入。甚至可在构建过程中改变材料成分。
3. 材料浪费少： 相比粉床熔融，完成打印所需过量送料更少。
4. 晶粒结构可控： DEP允许一定程度控制沉积材料晶粒结构。通过调节打印头速度控制冷却时间。
5. 可用于修复： DED不像大多数3D打印工艺仅限于从头创建新零件。机器可直接在现有零件上沉积材料，因此可修复损坏或磨损部件。

使用DED技术的劣势

1. 分辨率低： DED通常只能创建低细节分辨率特征。这是送丝粗细和熔池尺寸决定的。分辨率也取决于打印速度——越快分辨率越低。
2. 设备成本高： DED设备昂贵。大多需复杂系统：密封打印室、真空/惰性气体系统、粉末室（粉末送料系统）等。技术较新，尚未获多成本优化改进。
3. 需后处理： DED制造零件通常需后处理获良好表面光洁度。通常为轻微加工抛光，去除过量沉积、创建光滑一致表面。

DED可用材料

DED可打印多种材料。主要为金属：钛及钛合金、Inconel®、钽、钨、部分不锈钢。某些非金属也适用：碳纤维增强热塑性聚合物、氧化铝和氧化锆陶瓷。

DED应用实例

金属等材料增材制造使DED适配许多应用，其中一些是其他3D打印方法无法实现的：

1. 修复现有零件： DED技术主要用于金属零件修复。可在复杂表面沉积新材料。调节速度和能量源，可控制沉积材料晶粒结构以匹配原件。因此用于修复昂贵部件如涡轮叶片。
2. 近净成形： DED可制造极接近设计尺寸的零件。对制造昂贵奇特材料或难切削加工材料极具价值。
3. 复合/混合零件： DED可同时用不同材料打印。兼容材料混合可进入打印件，成分甚至可贯穿打印全程变化。

影响DED零件质量的因素

1. 孔隙率： 沉积材料孔隙导致弱点——孔本质是内部缺陷。干燥粉末送料防潮、正确使用保护气可最小化孔隙。
2. 扫描速度： 打印头沿构建路径移动速度影响熔池大小、冷却速率，进而影响晶粒结构。综合影响零件质量。最优速度取决于材料和期望晶粒结构。
3. 功率： 能量源功率直接影响熔池，与扫描速度相关。能量传递必须足以在打印头移动过程中正确熔化母材。功率不足，打印质量不合格。

实施DED技术的常见挑战

1. 高资本成本： 实施DED技术的主要障碍之一是建立所需的巨额初始投资。
2. 缺乏熟练技术员： 高效准确运行DED系统需要熟练经验丰富的操作员。新兴领域，熟练技术员难觅。可选择内部培训而非外聘，但仍非快捷廉价。
3. 新设计思路： 设计DED制造零件时，必须始终考虑打印头运动。若非初始设计即考虑此点，许多零件需重新设计才能用DED制造。这每次都增加工作量和工时。
4. 标准缺失： 增材制造整体仍属相对新技术，新工艺每年开发。数字信息管理、设计、制造流程标准化甚少。

选择DED设备时应考虑的因素

1. 材料兼容性： 决策最重要部分是期望设备打印什么材料。打印陶瓷的机器与仅打印金属的机器差异巨大。
2. 构建体积： 另一关键考量是预期制造的最大构件。这决定DED设备整体构建体积。
3. 精度： 视构件类型和计划后处理，可能需按精度选择设备。可能需在更大更快的机器与更高精度机器间权衡。

DED与传统制造方法对比

DED能比大多数标准制造选项更接近最终形状（近净成形）构建构件，因此用料远少于传统方法达成成品。传统方法需原材料块，再用减材法雕刻成最终零件，产生大量切屑废料。因此DED在材料利用率上更高效。

DED工艺因打印头多轴运动和逐层渐进构建特性，也能生成更复杂零件。传统制造零件几何受限。通常复杂零件须作系列小零件后组装。

DED技术的环境担忧

增材制造整体环境影响仍在研究中。增材制造技术（含DED）最常见环境担忧是高能耗。在典型减材法与新增材法间选择最高效制造工艺，取决于零件复杂度和产量。

DED类型

目前有三种DED技术变体，按熔化送料材料的能量源分类：

1. 等离子体/电弧基DED

打印头与工件间产生电弧。线弧增材制造（WAAM）是主要电弧基方法。

2. 激光基DED

用光学激光作能量源，也称激光工程网状成形（LENS）。网状制造指原始制造零件极接近成品（净）尺寸。LENS中材料沉积须在惰性环境进行防氧化，即制造室须完全吹扫惰性气体，或屏蔽气持续流动包裹沉积点。

3. 电子束基DED

用电子束提供能量熔化送料，称电子束增材制造（EBAM）。此DED工艺须在真空下进行，防电子与空气分子相互作用。

DED送料类型

每个DED设备用两种送料方式之一将材料送至零件表面：

1. 粉末基DED

粉末送料时，提供能量源的喷嘴同心排列物料送料喷嘴，将粉末导向沉积点。惰性气流输送粉末，惰性气体进一步抑制熔融材料与周围环境的氧化或其他化学反应。

2. 丝材基DED

丝材基DED类似焊接，送料为丝材。丝从能量源侧以角度送入，按沉积速率决定的恒定速率送入。