什么是定向能沉積?

　　【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】上個(gè)月，我討論了使用增材制造技術(shù)(AM)，來挑戰(zhàn)制造大型部件。具體來說，由于固有的成本和構(gòu)建時(shí)間的限制，我們可以對(duì)大型部件采用粉末層融合(PBF)工藝。
 

　　定向能沉積(DED)與PBF類似，因?yàn)樗鞘褂眉す?或電子束)來熔化粉末的。不管怎樣，粉末原料的沉積和熔化方式，會(huì)使其更容易和有效地?cái)U(kuò)展到更大的AM部件上。根據(jù)ASTM/ISO AM術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)(ISO/ASTM 52900-15)，“DED是一種增材制造工藝，在這種工藝中，集中的熱能被用于熔敷材料。
 

　　在以激光為基礎(chǔ)的粉狀材料中，熔融的材料通過小噴嘴或小孔將金屬粉末“吹”入激光形成的熔池中沉積。在使用的激光器的功率和類型結(jié)束時(shí)，激光束聚焦于創(chuàng)建一個(gè)已知的光斑大小(例如，500瓦激光器的光斑大小為0.5或1毫米，2.5千瓦激光器的光斑大小為1.5或3毫米)。熔池的深度和速度取決于激光的掃描速度(或激光下構(gòu)建平臺(tái)上的部件的移動(dòng))和沉積的原料的能量吸收和熱導(dǎo)率。熔池的大小、激光移動(dòng)的速度和粉末進(jìn)給速度(粉末通過噴嘴吹向激光的速度)決定了熔池中捕獲了多少粉末，并終決定了有多少材料熔合到部件上(熔池下面的層以及當(dāng)前正在建造的層中的相鄰材料)。大的、熱的、緩慢移動(dòng)的熔體池比較小或較快移動(dòng)的熔體池具有更高的粉體捕集率(70- 80%，這是比較好的情況)(20- 30%的捕集率，這是壞的情況)。無論如何，在這兩種情況下，AM部件的熱歷史以及微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都是不同的。因此，這是DED面臨的挑戰(zhàn)之一，必須調(diào)整你的工藝參數(shù)，以確保快速構(gòu)建時(shí)間，有效使用粉末和零件的尺寸精度。
 

　　一旦優(yōu)化，DED的構(gòu)建速度往往比PBF快一點(diǎn)。與PBF相比，DED的激光光斑尺寸至少要大上10倍。這就為粉末撞擊、熔化和融合創(chuàng)造了一個(gè)更大的熔池目標(biāo)。想象一下，如果你試圖在PBF系統(tǒng)中撞擊直徑為50- 75微米的熔體池，粉末的捕獲率會(huì)是多少?此外，較大的粉末顆粒往往被用于微電解系統(tǒng)(直徑50至150微米的微電解系統(tǒng)，而PBF為20至50微米)，因?yàn)樗鼈兺鲃?dòng)得更好，提供更多的表面積，以加快熔化過程。與PBF相比，更大的粉末顆粒也可以形成更厚的層，這意味著使用DED時(shí)需要構(gòu)建的層更少。
 

 

　　考慮圖中所示的噴嘴。在Ti-6Al-4V的500瓦激光基粉末進(jìn)料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，噴嘴僅需要約20分鐘。在我們的基于400瓦激光的PBF系統(tǒng)上構(gòu)建相同的部件，同樣也需要大約20分鐘的激光掃描時(shí)間，但如果考慮到重新編碼的話，在PBF系統(tǒng)上構(gòu)建該部件的總時(shí)間幾乎要4個(gè)小時(shí)。為什么會(huì)有這么大的差異?如果使用DED，你只在需要的地方存放材料。激光只需圍繞噴管周圍移動(dòng)三到四次，就可以形成一層，在激光重新定位后，下一層馬上開始。然而，有了PBF，下一層只能在新一層粉末鋪開后才能開始。因此，如果該部分是用30微米的層，那么45毫米高的噴嘴有1500層。將層數(shù)乘以重新記錄單層所需的時(shí)間(Ti-6Al-4V約9秒)，重新記錄時(shí)間為3.67小時(shí)。
 

　　雖然霧狀噴嘴的建造速度更快，但你可以從圖中看到，該部分的表面光潔度相當(dāng)粗糙(可與砂型鑄造時(shí)的效果相媲美)。你可以看到該部分的尺寸精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在PBF系統(tǒng)中可能達(dá)到的精度。因此，可能需要更多的加工步驟來完成，才能滿足規(guī)格參數(shù)的要求。正因?yàn)槿绱耍S多人認(rèn)為，與PBF等“凈形”制造工藝相比，DED才更接近“凈形”制造工藝。
 

　　(原標(biāo)題： What Is Directed Energy Deposition? )