用于工業(yè)零件修復(fù)的定向能量沉積:3D金屬打印如何節(jié)省時間和降低成本

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

增材制造在工業(yè)應(yīng)用中不僅用于生產(chǎn)新的金屬零件，還用于修復(fù)和替換現(xiàn)有零件。在美國，由于零件腐蝕或磨損，每年要花費數(shù)十億美元來修復(fù)或更換金屬零件。通過金屬增材制造的廣泛應(yīng)用以及交貨時間的大幅縮短，可以減少約三分之一的成本。

金屬增材制造，更具體地說——定向能量沉積——為工業(yè)維修應(yīng)用節(jié)省了時間和成本。本文將解釋定向能量沉積的基礎(chǔ)知識，它與傳統(tǒng)和其他增材制造工藝的區(qū)別，并展示實際定向能量沉積修復(fù)應(yīng)用，以此證明采用金屬增材制造修復(fù)應(yīng)用的合理性。

目前用于金屬增材制造的兩種最常見的方法是粉末床熔合(PBF)和定向能量沉積(DED)。PBF主要用于打印新零件，而DED既可以打印新的3D金屬零件，也可以向現(xiàn)有零件添加材料，從而實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，如修復(fù)，表面改性，以及將DED與傳統(tǒng)減法工藝相結(jié)合的混合制造。

定向能量沉積和粉末床聚變有什么區(qū)別?
DED與PBF相似，因為是使用激光（或電子）束熔化粉末。但DED的粉末原料的沉積和熔化方式可以更容易，更經(jīng)濟地擴展到更大的增材制造零件。

DED零件的表面光潔度非常粗糙（與砂型鑄造時所達到的相當(dāng)）�？梢钥吹皆S多實際的層，并且零件的尺寸精度遠小于PBF系統(tǒng)上的精度。

DED系統(tǒng)通過指向高功率激光焦點的噴嘴連續(xù)地用氣體(通常是氬氣)吹粉。由此產(chǎn)生的金屬熔池(有時被稱為焊接池)然后使用運動控制系統(tǒng)移動，零件在自由空間中建立。隨著零件一層一層地生長，整個過程是可見的。

PBF系統(tǒng)使用激光選擇性地一層一層地熔化金屬粉末層，以建立物理部分。在第一層鋪展和選擇性熔化后，再用第二層粉末填充床層，重復(fù)該過程，直到零件完全成形。最終的結(jié)果被埋在一塊粉末中，直到在后期處理中除去多余的粉末，以及用該零件構(gòu)建的任何支撐結(jié)構(gòu)，才能看到。

兩種金屬增材制造工藝都有各自的優(yōu)勢。DED方法對于大中型零件來說更快、更高效，并且更擅長向現(xiàn)有零件中添加材料，例如零件修改或維修應(yīng)用。它以其高沉積速率和快速建造/修復(fù)較大零件而廣受歡迎。PBF方法更適合于制造更小、形狀更復(fù)雜的零件，并產(chǎn)生更好的表面光潔度。

DED的好處是什么?
使用DED流程有很多好處。它可以快速加工幾乎任何類型的金屬。DED系統(tǒng)可以容納從中型到超大型零件的建造量。系統(tǒng)可以從3個軸到同時5個軸或更多軸運行，允許構(gòu)建具有復(fù)雜幾何形狀的零件。通常，零件在激光下移動，在激光安全的密封環(huán)境中保持垂直位置。激光安全玻璃使用戶能夠觀看零件的建造、修改或維修。
因為它形成了冶金結(jié)合(像焊接一樣，但有一個非常小的熱影響區(qū))，零件被建造得完全致密，最終材料性能類似于鍛造材料。由于該零件在建造過程中可以在多個軸上移動，因此不需要支撐結(jié)構(gòu)。由于金屬粉末可以在建造過程中快速混合，現(xiàn)有零件的材料性能可以通過更強的合金化或使用具有腐蝕或耐磨性能的材料來逐層增強。修復(fù)后的零件實際上可以增強材料性能，因此它們比剛制造時更好。所有這些優(yōu)點加上DED工藝的快速材料沉積速率，使其在生產(chǎn)應(yīng)用中非常具有吸引力。

哪些應(yīng)用程序最適合使用DED?
使用DED可以最有效地處理許多零件修復(fù)的關(guān)鍵應(yīng)用。例如，美國陸軍安尼斯頓車廠使用DED來維修M1艾布拉姆斯坦克的發(fā)動機零件。在沙漠環(huán)境中，霍尼韋爾AGT 1500等坦克發(fā)動機的磨損嚴(yán)重，需要更短的間隔維護周期。AGT 1500發(fā)動機零件在高溫焊接過程中會產(chǎn)生變形，用傳統(tǒng)方法難以修復(fù)。使用DED，高度聚焦的激光束將能量精確地傳遞到修復(fù)區(qū)域，由于該過程的熱影響區(qū)域非常小，殘余應(yīng)力很少，畸變可以忽略不計，從而實現(xiàn)了這些發(fā)動機零件的修復(fù)。這使得陸軍通過維修而不是更換磨損的發(fā)動機零件，每年節(jié)省超過500萬美元。

另一個例子是電子衛(wèi)星外殼，其中使用了混合工藝以減少制造成本和時間。在這個例子中，殼體的圓盤底座是從鋼坯加工而來的，薄壁結(jié)構(gòu)是使用DED建立起來的�；旌瞎に嚳s短了6個月的交貨時間，同時還消除了對專用工具的需求。

即使是像新墨西哥州當(dāng)?shù)厮_爾薩醬工廠這樣的小組織也從DED處理修復(fù)應(yīng)用中獲益。當(dāng)薩爾薩醬生產(chǎn)線因螺旋齒輪損壞而關(guān)閉時，沒有備用齒輪庫存，需要8周的提前時間才能交付替代品，生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，這意味著將遭受重大損失。但使用DED，鉻鎳鐵合金斜齒輪被修復(fù)，生產(chǎn)線在一天內(nèi)恢復(fù)運行。

這幾個例子說明了DED易于部署，提供了快速的投資回報率，并為組織開發(fā)更先進的增材制造應(yīng)用提供了切實可行的途徑。

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