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(shí)間和降低成本

來(lái)源：長(zhǎng)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(guó)，由于零件腐蝕或磨損,，每年要花費(fèi)數(shù)十億美元來(lái)修復(fù)或更換金屬零件,。通過(guò)金屬增材制造的廣泛應(yīng)用以及交貨時(shí)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(shuō)——定向能量沉積——為工業(yè)維修應(yīng)用節(jié)省了時(shí)間和成本。本文將解釋定向能量沉積的基礎(chǔ)知識(shí),，它與傳統(tǒng)和其他增材制造工藝的區(qū)別,，并展示實(shí)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(jiàn)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(shí)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?yàn)槭鞘褂眉す猓ɑ螂娮樱┦�熔化粉��,。但DED的粉末原料的沉積和熔化方式可以更容易，更經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)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(shí)所達(dá)到的相當(dāng)）,。可以看到許多實(shí)際的層,，并且零件的尺寸精度遠(yuǎn)小于PBF系統(tǒng)上的精度,。

DED系統(tǒng)通過(guò)指向高功率激光焦點(diǎn)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(shí)被稱(chēng)為焊接池)然后使用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)移動(dòng),，零件在自由空間中建立,。隨著零件一層一層地生長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程是可見(jiàn)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(guò)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(shì),。DED方法對(duì)于大中型零件來(lái)說(shuō)更快、更高效,，并且更擅長(zhǎng)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(lèi)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(gè)軸到同時(shí)5個(gè)軸或更多軸運(yùn)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(dòng),，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?yàn)樗�形成了冶金結(jié)合(像焊接一樣，但有一個(gè)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(lèi)似于鍛造材料。由于該零件在建造過(guò)程中可以在多個(gè)軸上移動(dòng),，因此不需要支撐結(jié)構(gòu),。由于金屬粉末可以在建造過(guò)程中快速混合，現(xiàn)有零件的材料性能可以通過(guò)更強(qiáng)的合金化或使用具有腐蝕或耐磨性能的材料來(lái)逐層增強(qiáng),。修復(fù)后的零件實(shí)際上可以增強(qiáng)材料性能,，因此它們比剛制造時(shí)更好。所有這些優(yōu)點(diǎn)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(guó)陸軍安尼斯頓車(chē)廠使用DED來(lái)維修M1艾布拉姆斯坦克的發(fā)動(dòng)機(jī)零件,。在沙漠環(huán)境中,，霍尼韋爾AGT 1500等坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損嚴(yán)重，需要更短的間隔維護(hù)周期,。AGT 1500發(fā)動(dòng)機(jī)零件在高溫焊接過(guò)程中會(huì)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(guò)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(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了這些發(fā)動(dòng)機(jī)零件的修復(fù),。這使得陸軍通過(guò)維修而不是更換磨損的發(fā)動(dòng)機(jī)零件,，每年節(jié)省超過(guò)500萬(wàn)美元。

另一個(gè)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(shí)間,。在這個(gè)例子中，殼體的圓盤(pán)底座是從鋼坯加工而來(lái)的,，薄壁結(jié)構(gòu)是使用DED建立起來(lái)的,。混合工藝縮短了6個(gè)月的交貨時(shí)間,，同時(shí)還消除了對(duì)專(zhuān)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(shí),，沒(méi)有備用齒輪庫(kù)存,，需要8周的提前時(shí)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(yùn)行,。

這幾個(gè)例子說(shuō)明了DED易于部署，提供了快速的投資回報(bào)率,，并為組織開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的增材制造應(yīng)用提供了切實(shí)可行的途徑,。

文章鏈接：https://optomec.com/how-3d-metal ... ustrial-components/