直接能量沉积 (DED)：过程、优点和局限性

直接能量沉积 (DED)，也称为定向能量沉积，是增材制造（3D 打印）的一种特殊方法。它将能量源引导到源材料上的某个点以产生少量熔体，然后将进料添加到该熔体中，以便将新材料沉积到部件上。下面将详细介绍可用的 DED 能源、不同的供给系统以及优缺点。

什么是直接能量沉积 (DED)？

直接（或定向）能量沉积 (DED) 是一种增材制造（3D 打印）方法。将能量源引导到一个点上，并将进料引入到同一点，以便将其沉积到工件上。它与机器人焊接有一些相似之处，其中金属丝被熔化（沉积）到主要部件上。 DED 装置可以使用电子束、激光或电弧来形成熔池。新材料可以是丝状或粉末的形式。

直接能量沉积 (DED) 如何工作？

直接能量沉积的工作原理是将制造部件上的特定区域加热至熔化温度，然后添加进料。打印头沿着构建路径移动，然后熔体随着已沉积到主体上的供给材料而凝固。 

定向能源（激光、电子束或电弧）位于打印头的中心，进料材料与其相邻。进料可以以丝状或粉末的形式供应。灯丝以一定角度送入，使其在能源的焦点处熔化。另一方面，粉末由惰性气体通过围绕能源同心排列的喷嘴输送，并指向熔点。

打印头有多个运动平面。它可以安装到多轴 CNC 头或铰接式机械臂上。有关更多信息，请参阅我们的增材制造类型指南。

使用DED技术有哪些优势？

使用 DED 技术有许多优点：

1. 相对较大的构建体积： 由于 DED 机器的打印头通常安装在多轴 CNC 头或铰接臂上，因此与其他 3D 打印方法（特别是那些使用金属的方法）相比，它可以覆盖相当大的区域。打印件可以超过一米立方。 
2. 多种材料： 许多进料材料与 DED 制造兼容。它们可以通过粉末混合物或多丝进料引入。事实上，材料成分可以在构建过程中更改。
3. 减少材料浪费： 与粉末床融合相比，完成打印所需的多余进给材料较少。
4. 晶粒结构的控制： DED 可以对沉积材料的晶粒结构进行一定程度的控制。通过调节打印头的速度，可以控制冷却时间。
5. 可用于修复： DED 并不局限于像大多数 3D 打印工艺那样从头开始创建新零件。这些机器还可以将材料直接沉积到现有零件上。这意味着 DED 可用于修复损坏或磨损的部件。

使用 DED 技术有哪些缺点？

DED 并不是适合所有情况的理想解决方案，因为该技术确实有一些缺点：

1. 低分辨率： 一般来说，DED 技术只能以低细节分辨率创建特征。这是进丝厚度和熔池尺寸的函数。分辨率还取决于打印速度 - 打印速度越快，分辨率就越低。
2. 资本成本高： DED 设备价格昂贵。大多数都需要复杂的系统，例如密封的印刷室、真空或惰性气体系统、用于送粉系统的粉房等。它们是一项相对较新的技术，因此尚未获得许多削减成本的改进。 
3. 后处理： 采用 DED 技术制造的零件通常需要进行后处理以获得良好的表面光洁度。这通常采用一些轻微加工和抛光的形式，以去除多余的沉积物并形成光滑、一致的表面。

哪些材料可以与 DED 一起使用？

DED 能够打印多种材料。 DED 技术使用的大多数材料是金属，例如：钛和钛合金、Inconel®、钽、钨和一些不锈钢品种。

某些非金属也可以在 DED 机器上使用——可以打印一种碳纤维，其中将碳丝放入热塑性聚合物中。氧化铝和氧化锆陶瓷也与 DED 配合良好。

DED 的示例应用有哪些？

使用金属和其他材料进行增材制造使 DED 能够适应许多应用，其中一些应用是其他 3D 打印方法无法选择的：

1. 修复现有部件： DED 技术的主要目的是修复金属零件。该方法可以在复杂表面上沉积新材料。通过调整速度和能源，还可以控制沉积材料的晶粒结构，使其与原始部件的晶粒结构相匹配。因此，DED 用于修复涡轮叶片等昂贵的部件。
2. 近净形状： DED 可以制造非常接近其计划尺寸的零件。这在制造特殊且昂贵的材料或非常难以切割和加工的材料时非常有价值。
3. 复合或混合零件： DED 使您能够同时使用不同的材料进行打印。印刷品中可以混合相容材料，其成分甚至可以在整个印刷品中发生变化。

哪些因素影响 DED 零件的质量？

DED 的打印质量对于成品的实用性至关重要。以下因素对质量有影响：

1. 孔隙率： 沉积材料中的孔隙度会导致弱点——孔隙本质上是内部缺陷。应通过干燥粉末原料以防止水分进入以及正确使用保护气体来最大程度地减少孔隙率。
2. 扫描速度： 打印头沿着构建路径移动的速度会影响熔池的尺寸、冷却速率，从而影响晶粒结构。总而言之，这一切都会影响零件的质量。最佳速度取决于所使用的材料和所需的晶粒结构。
3. 电源： 能源提供的功率对熔体有直接影响，与扫描速度有关。即使 DED 打印头沿着构建路径移动，向组件传输的能量也必须足以正确熔化主体材料。如果它不能提供足够的功率，打印质量将达不到要求。 

实施 DED 技术有哪些常见挑战？

DED 技术非常复杂且实施起来具有挑战性。 

1. 资本成本高： 实施 DED 技术的主要障碍之一是建立该技术所需的大量初始投资。 
2. 缺乏熟练的技术人员： 为了高效、准确地运行 DED 系统，需要熟练且经验丰富的操作员。由于这是一个不断发展的领域，熟练的技术人员很难找到。您可以选择在内部培训员工而不是雇用新人，但这仍然既不快速也不便宜。 
3. 新的设计方法： 在设计使用 DED 技术构建的组件时，您必须始终考虑打印头的移动方式。如果从一开始就没有为此设计，许多零件在使用 DED 制造之前将需要重新设计。此过程每次都会增加工作量和工作时间。
4. 缺乏标准： 总体而言，增材制造仍然是一项相对较新的技术，每年都在开发新的技术方法。这些系统的数字信息管理、设计或制造流程几乎没有标准化。

选择 DED 设备时应考虑什么？

决定购买哪种 DED 设备需要进行大量的研究和考虑。选择 DED 设备时需要考察多个关键方面：

1. 材料兼容性： 决定中最重要的部分是您希望设备打印什么材料。可以打印陶瓷的机器与仅打印金属的机器有很大不同。 
2. 构建量： 另一个关键考虑因素是您期望制造的最大组件。这将决定您的 DED 设备的总体构建量。 
3. 精度： 根据组件的类型和您计划的后处理，您可能必须根据其精度来选择设备。您可能被迫权衡更大、更快的机器和精度更高的机器之间的权衡。 

DED 与传统制造方法相比如何？

DED 能够制造出比大多数标准制造选项更接近其最终形状（近净形状）的组件。因此，它使用更少的材料来完成成品。传统的制造方法需要一块源材料，然后使用减材制造方法进行雕刻。他们去除材料以达到最终部件。这种材料的去除会产生大量材料废物，如切屑和刨花。因此，DED在材料使用方面比传统方法更加高效。

由于打印头的多轴运动以及一次一层地逐步构建组件的性质，DED 工艺还可以生成更复杂的零件。传统制造的物品在几何形状方面受到更多限制。通常，复杂的零件必须被构建为一系列较小的零件，以便在事后组装。 

DED 技术有哪些环境问题？

整个增材制造对环境的影响仍在调查中。增材制造技术（包括 DED）最常见的环境问题是其高能源需求。最有效的制造工艺的选择（在典型的减材方法和较新的增材工艺之间）取决于要制造的零件的复杂性和体积。

DED 有哪些类型？

目前 DED 技术有三种不同的变体。它们根据用于熔化原料的能源进行分类：

1。基于等离子或电弧的 DED

打印头和工件之间会产生电弧。电弧增材制造 (WAAM) 是主要的基于电弧的方法之一。 

2.基于激光的 DED

在此变体中，光学激光器被用作能量源，也称为激光工程网络成形（LENS）。净形制造意味着原始制造的零件非常接近成品（净）尺寸。对于 LENS，材料沉积需要在惰性环境中进行以防止氧化，这意味着制造室必须用惰性气体完全净化，或者保护气体的供给必须在沉积点周围作为护罩不断流动。

3.基于电子束的 DED

电子束用于提供能量来熔化进料，这种方法称为电子束增材制造 (EBAM)。此 DED 过程必须在真空中进行，以防止电子与空气分子相互作用。

DED 饲料类型有哪些？

每个 DED 设备都使用两种进料方法之一将材料输送到零件表面：

1。粉基 DED

对于粉末供给，提供能量源的喷嘴还包含围绕其同心布置的材料供给喷嘴，将粉末引导至沉积点。惰性气体流用于输送粉末，惰性气体还起到抑制熔融材料与周围环境之间的氧化或其他化学反应的作用。 

2.基于有线的 DED

基于线材的 DED 与焊接类似，其进给材料以线丝形式提供。该金属丝从能源旁边以一定角度送入，并以沉积速率决定的恒定速率送入。