Прямое осаждение энергии (DED):процесс, преимущества и ограничения

Прямое осаждение энергии (DED), также называемое направленным осаждением энергии, представляет собой особый подход к аддитивному производству (3D-печати). Он направляет источник энергии в точку на исходном материале для получения небольшого количества расплава, а затем добавляет в этот расплав загружаемый материал, чтобы нанести новый материал на деталь. Подробная информация о доступных источниках энергии DED, различных системах подачи, а также преимуществах и недостатках будет объяснена ниже.

Что такое прямое выделение энергии (DED)?

Прямое (или направленное) энерговыделение (DED) — это метод аддитивного производства (3D-печати). Источник энергии направляется на точку, и в ту же точку подается подаваемый материал, чтобы его можно было нанести на заготовку. Она имеет некоторое сходство с роботизированной сваркой, при которой металлическая проволока расплавляется (насаживается) на основной компонент. Устройства DED могут использовать электронные лучи, лазеры или электрические дуги для формирования ванны расплава. Новый материал может иметь форму проволочной нити или порошка.

Как работает прямое выделение энергии (DED)?

Прямое энерговыделение осуществляется путем нагрева определенной области изготовленного компонента до температуры плавления и последующего добавления исходного материала. Печатающая головка движется по траектории печати, а затем расплав затвердевает, а подаваемый материал осаждается на основной корпус. 

Направленный источник энергии (лазер, электронный луч или электрическая дуга) расположен в центре печатающей головки, рядом с ним находится подаваемый материал. Исходный материал может поставляться в виде проволочной нити или порошка. Нить подается под углом, так что она плавится в фокусе источника энергии. Порошок же транспортируется инертным газом через сопла, расположенные концентрично вокруг источника энергии и направленные к точке плавления.

Печатающая головка имеет несколько плоскостей движения. Его можно установить на многоосную головку с ЧПУ или на шарнирную роботизированную руку. Дополнительную информацию см. в нашем руководстве по типам аддитивного производства.

Каковы преимущества использования технологии DED?

Использование технологии DED имеет ряд преимуществ:

1. Относительно большие объемы сборки: Поскольку печатающая головка машины DED обычно устанавливается на многоосную головку с ЧПУ или шарнирный рычаг, она может покрывать довольно большую площадь по сравнению с другими методами 3D-печати (особенно теми, которые работают с металлом). Отпечатки могут превышать один метр в кубе. 
2. Несколько материалов: Многие исходные материалы совместимы с производством DED. Их можно вводить либо посредством порошковой смеси, либо посредством подачи нескольких нитей. Фактически, состав материала можно изменить во время сборки.
3. Меньше материальных отходов: По сравнению с наплавкой в порошковом слое для завершения печати требуется нанесение меньшего количества избыточного материала.
4. Контроль зернистой структуры: DED позволяет в некоторой степени контролировать зернистую структуру наплавленного материала. Регулируя скорость печатающей головки, вы можете контролировать время охлаждения.
5. Можно использовать для ремонта: DED не ограничивается созданием новых деталей с нуля, как это происходит в большинстве процессов 3D-печати. Машины также могут наносить материал непосредственно на существующую деталь. Это означает, что DED можно использовать для ремонта поврежденных или изношенных компонентов.

Каковы недостатки использования технологии DED?

DED не является идеальным решением для каждого случая, поскольку у технологии есть некоторые недостатки:

1. Низкое разрешение: Как правило, технология DED способна создавать объекты только с низким разрешением. Это зависит от толщины питающей проволоки и размера ванны расплава. Разрешение также зависит от скорости печати:более быстрая печать приведет к снижению разрешения.
2. Высокие капитальные затраты: Устройства DED стоят дорого. Большинству нужны сложные системы, такие как герметичная печатная камера, вакуумная система или система инертного газа, порошковая камера для систем с подачей порошка и т. д. Это относительно новая технология, поэтому она еще не получила многих усовершенствований, позволяющих сократить расходы. 
3. Постобработка: Детали, изготовленные с использованием технологии DED, обычно требуют последующей обработки для достижения хорошего качества поверхности. Обычно это происходит в виде легкой механической обработки и полировки, чтобы удалить излишки отложений и создать гладкую, однородную поверхность.

Какие материалы можно использовать с DED?

DED может печатать различными материалами. Большинство материалов, используемых в технологиях DED, представляют собой металлы, такие как титан и титановые сплавы, Inconel®, тантал, вольфрам и некоторые разновидности нержавеющей стали.

Некоторые неметаллы также используются на машинах DED — можно печатать из углеродного волокна, в котором углеродная нить вложена в термопластичный полимер. Керамика из глинозема и циркония также хорошо работает с DED.

Каковы примеры применения DED?

Аддитивное производство с использованием металлов и других материалов дает DED возможность использовать многие приложения, некоторые из которых недоступны для других методов 3D-печати: 

1. Восстановление существующих деталей: Основная цель технологии DED — ремонт металлических деталей. Этот метод позволяет наносить новый материал на сложные поверхности. Регулируя скорость и источник энергии, также можно контролировать зернистую структуру наплавленного материала, чтобы она соответствовала структуре исходной детали. Поэтому DED используется для ремонта дорогостоящих компонентов, таких как лопатки турбин.
2. Почти чистая форма: DED может производить детали, размеры которых очень близки к запланированным. Это очень ценно при производстве экзотических и дорогих материалов или материалов, которые очень сложно резать и обрабатывать.
3. Композитные или гибридные детали: DED дает вам возможность печатать разными материалами одновременно. В печатном изделии может использоваться смесь совместимых материалов, и ее состав может даже меняться на протяжении всей печати.

Какие факторы влияют на качество деталей DED?

Качество печати DED имеет решающее значение для полезности готовой продукции. На качество влияют следующие факторы:

1. Пористость: Пористость наплавленного материала приводит к появлению слабых мест — поры, по сути, являются внутренними дефектами. Пористость следует свести к минимуму путем сушки подаваемого порошка во избежание попадания влаги и правильного использования защитного газа.
2. Скорость сканирования: Скорость, с которой движется головка по траектории сборки, влияет на размер ванны расплава, скорость охлаждения и, следовательно, на структуру зерен. В совокупности все это влияет на качество детали. Оптимальная скорость будет зависеть от используемого материала и желаемой структуры зерна.
3. Мощность: Мощность, обеспечиваемая источником энергии, оказывает непосредственное влияние на расплав и связана со скоростью сканирования. Передача энергии компоненту должна быть достаточной для правильного плавления основного материала даже при движении печатающей головки DED по траектории сборки. Если он не выдает достаточно мощности, качество печати будет не на должном уровне. 

Каковы некоторые общие проблемы при внедрении технологии DED?

Технология DED сложна и сложна в реализации. 

1. Высокие капитальные затраты: Одним из основных препятствий на пути внедрения технологии DED являются большие первоначальные инвестиции, необходимые для ее внедрения. 
2. Недостаток квалифицированных технических специалистов: Для эффективной и точной работы системы DED необходимы квалифицированные и опытные операторы. Поскольку эта область развивается, найти квалифицированных специалистов сложно. Вы можете предпочесть обучать свой персонал собственными силами, а не нанимать новых людей, но это все равно не быстро и не дешево. 
3. Новый подход к дизайну: При проектировании компонентов с использованием технологии DED всегда необходимо учитывать, как движется печатающая головка. Если они не предназначены для этого с самого начала, многие детали потребуют некоторой доработки перед производством с использованием DED. Этот процесс каждый раз требует дополнительных усилий и рабочего времени.
4. Отсутствие стандартов: В целом аддитивное производство все еще является относительно новой технологией, и каждый год разрабатываются новые технологические подходы. В процессах управления цифровой информацией, проектирования и производства этих систем мало стандартизации.

Что следует учитывать при выборе оборудования DED?

Решение о том, какое устройство DED купить, требует изрядного количества исследований и размышлений. При выборе оборудования DED необходимо учитывать ряд ключевых аспектов:

1. Совместимость материалов: Самая важная часть решения — это то, какие материалы вы ожидаете от своего оборудования для печати. Машина, способная печатать керамику, будет существенно отличаться от машины, предназначенной только для металлов. 
2. Объем сборки: Еще одним ключевым моментом является размер самого крупного компонента, который вы планируете изготовить. Это будет определять общий объем сборки вашего DED-оборудования. 
3. Точность: В зависимости от типа компонентов и планируемой постобработки вам, возможно, придется выбирать оборудование с учетом его точности. Возможно, вам придется взвесить компромисс между более крупной и быстрой машиной и машиной с большей точностью. 

Чем DED отличается от традиционных методов производства?

DED может изготовить компонент гораздо ближе к его окончательной форме (почти чистой форме), чем большинство стандартных вариантов производства. Таким образом, для изготовления готового изделия используется гораздо меньше материала. Традиционные методы производства требуют блока исходного материала, который затем вырезается с использованием субтрактивных методов производства. Они удаляют материал, чтобы прийти к финальной части. Такое удаление материала приводит к образованию большого количества отходов материала в виде обрезков и стружек. Таким образом, DED более эффективен, чем традиционные методы, с точки зрения использования материала.

Процессы DED также позволяют создавать более сложные детали благодаря многоосному движению печатающей головки и характеру постепенного создания компонента, слой за слоем. Традиционно изготовленные изделия более ограничены с точки зрения геометрии. Обычно сложные детали должны быть построены как серия более мелких деталей, которые нужно собрать постфактум. 

Каковы экологические проблемы технологии DED?

Воздействие аддитивного производства на окружающую среду в целом все еще изучается. Наиболее распространенной экологической проблемой, связанной с технологиями аддитивного производства, включая DED, является их высокая потребность в энергии. Выбор наиболее эффективного производственного процесса (между типичными субтрактивными методами и новыми аддитивными процессами) зависит от сложности и объема изготавливаемых деталей.

Каковы типы DED?

В настоящее время существует три различных варианта технологии DED. Они классифицируются в зависимости от источника энергии, используемого для плавления загружаемого материала:

1. DED на основе плазмы или электрической дуги

Между печатающей головкой и заготовкой создается электрическая дуга. Аддитивное производство проволочной дуги (WAAM) является одним из основных методов, основанных на дуге. 

2. Лазерный DED

В этом варианте в качестве источника энергии используется оптический лазер, который также называется формированием сети лазерной инженерии (ЛИНЗА). Производство нетто-формы означает, что исходная изготовленная деталь очень близка к готовым (чистым) размерам. При использовании LENS осаждение материала должно происходить в инертной среде, чтобы предотвратить окисление. Это означает, что либо производственная камера должна быть полностью продута инертным газом, либо подача защитного газа должна постоянно течь в виде кожуха вокруг точки осаждения.

3. Электронно-лучевой DED

Электронный луч используется для обеспечения энергией для плавления сырья в рамках подхода, известного как аддитивное производство электронным лучом (EBAM). Этот процесс DED должен происходить в вакууме, чтобы предотвратить взаимодействие электронов с молекулами воздуха.

Какие типы фидов DED?

Каждое устройство DED подает материал на поверхность детали, используя один из двух методов подачи: 

1. Порошковый DED

При подаче порошка сопло, обеспечивающее источник энергии, также содержит сопла подачи материала, расположенные концентрично вокруг него, которые направляют порошок в точку осаждения. Поток инертного газа используется для доставки порошка, а инертный газ дополнительно ингибирует окисление или другие химические реакции между расплавленными материалами и окружающей средой. 

2. Проводной DED

Технология DED на основе проволоки аналогична сварке тем, что в качестве исходного материала используется проволочная нить. Эта проволока подается под углом от источника энергии и с постоянной скоростью, определяемой скоростью осаждения.



Освоение многоструйной сварки (MJF):подробное руководство по совершенству в 3D-печати Какая нить для 3D-принтера самая прочная? Экспертное руководство по долговечности и производительности