Directed energy deposition (DED) — прямой подвод энергии 2020

  • автор:

Directed energy deposition (DED — прямой подвод энергии и материала) — категория процессов 3D-печати. Он обычно используется для ремонта. Или добавления дополнительных материалов к существующим компонентам.

Directed energy deposition (DED) также может ремонтировать сложные поврежденные детали. Например, такие как лопасти турбины или пропеллеры. В дополнение к способности создавать детали с нуля. И часто с гибридом токарно-фрезерных станков с ЧПУ.

Directed energy deposition DED

фото: BeAM

Содержание скрыть

Категория процессов 3д печати Directed energy deposition (DED)

Directed energy deposition (DED)(прямой подвод энергии и материала) — категория процессов 3д печати. В котором энергия от внешнего источника используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения. Согласно российскому ГОСТ Р 57558-2017/ и европейскому ISO/ASTM 52900:2015.

Направленное энергетическое осаждение (как в вольном переводе еще называют Directed energy deposition (DED) использует сфокусированный источник энергии. Например, лазер или электронный луч, для расплавления материала. Подобно некоторым технологиям порошковой сварки (PBF) (таким как LPBF или EBM).

Тем не менее, материал плавится в то же время, как он осаждается с помощью сопла. В некотором смысле технология находится на переднем крае экструзии материала и плавления порошкового слоя.

Термин «прямой подвод энергии и материала» может охватывать несколько различных технологий. Они отличаются способом сплавления материала, каждый из которых подходит для разных и конкретных целей. Наиболее популярны следующие:

Directed energy deposition (DED) — другие названия

Другие популярные термины для DED включают в себя:

— формирование сетки с помощью лазера (laser engineered net shaping),

— изготовление с помощью направленного света (directed light fabrication),

— прямое напыление металла (direct metal deposition),

— лазерную наплавку (Laser Deposition Welding — LDW),

— 3D-лазерную наплавку (3D laser cladding).

Металлы могут быть напечатаны на 3D-принтере с помощью технологии аддитивного производства Directed energy deposition (DED). Например, алюминия, меди, титана, нержавеющей стали, инструментальной стали, медно-никелевых сплавов и некоторых стальных сплавов. Каждая подтехника раздела «Направленное наложение энергии» имеет свои ограничения и совместимости.

Технология LENS от Optomec

Технология LENS от Optomec. В производственных системах LENS 3D используются лазеры для создания объектов слой за слоем непосредственно из порошковых металлов, сплавов, керамики или композитов.

Процесс LENS должен происходить в герметичной камере, заполненной аргоном. Чтобы уровни кислорода и влажности оставались очень низкими. Это сохраняет деталь в чистоте и предотвращает окисление.

Металлический порошковый материал подается непосредственно в головку для нанесения материала. После нанесения одного слоя головка для нанесения материала переходит к следующему слою. Создавая последовательные слои, создается вся часть.

По завершении компонент удаляется. Он может быть подвергнут термообработке, горячему изостатическому прессованию, механической обработке или отделке любым требуемым образом.

Технология аэрозольной струи от Optomec Aerosol Jet

Технология 3D-печати Optomec Aerosol Jet обеспечивает рентабельный и масштабируемый процесс печати функциональных антенн и датчиков непосредственно на потребительских и промышленных компонентах. Это делает их интеллектуальными устройствами Интернета вещей (IoT).

Возможные печатные антенны включают LTE, NFC, GPS, Wifi, WLAN и BT. Этот метод ближе к простым методам осаждения. Но подходит для сложных криволинейных поверхностей.

Системы Aerosol Jet идеально подходят для разработки, изготовления, улучшения и ремонта высокопроизводительных электронных и биологических устройств для бытовой электроники. А также полупроводниковой упаковки, дисплеев, конечных продуктов для аэрокосмической/оборонной, автомобильной и медико-биологической отраслей.

Технология Aerosol Jet может работать с широким спектром материалов. Например, включая проводящие металлические чернила с наночастицами, диэлектрические пасты, полупроводники и другие функциональные материалы.

Электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM)

Электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM) – это технология 3D-печати от Sciaky. Электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM) — это технология аддитивного производства, позволяющая производить крупномасштабные металлические конструкции.

Запатентованная электронно-лучевая (EB) горелка компании Sciaky наносит металл через проволоку, слой за слоем. Пока деталь не достигнет почти чистой формы и не будет готова для чистовой обработки.

Скорость наплавки составляет от 3 до 9 кг металла в час. Совместимые металлы включают титан, тантал и никель. Этот метод DED также можно использовать для ремонта поврежденных деталей.

Лазерная сварка наплавкой (LDW) и гибридное производство от DMG MORI

В процессе аддитивного производства лазерной наплавки (LDW) используется напыление металла с помощью порошковой форсунки. Это может быть до 10 раз быстрее, чем технология PBF.

Кроме того, компания DMG MORI интегрировала свою технологию аддитивного производства LDW в 5-осевой фрезерный станок. Это инновационное гибридное решение сочетает в себе гибкость процесса лазерной наплавки металла с точностью процесса резки.

В результате обеспечивает аддитивное производство качеством фрезерования. Эта комбинация делает возможным изготовление высокоточных металлических деталей различных размеров.

Directed energy deposition (DED) Направленное осаждение энергии - как работает технология

фото: BeAM

Направленное осаждение энергии — как работает технология?

Большинство 3D-принтеров Directed energy deposition (DED) — это промышленные машины с очень большой площадью основания. Для работы которых требуется закрытая и контролируемая среда.

Проектирование детали начинается с создания 3D-модели с использованием программного обеспечения CAD. Как и в любой технике 3D-печати. Затем часть разрезается на множество слоев с помощью программного обеспечения слайсера. Которое представляет различные слои материала, необходимые для формирования детали.

Техника работает путем нанесения материала на основание или компонент. Который наносится через насадку, установленную на многоосевой (обычно 4 или 5) оси. Металлический материал, который подается в сопло, предоставляется в виде порошка или проволоки.

Directed energy deposition — основной процесс печати

Как и в случае любого метода производства, понимание основного процесса позволяет понять его основные сильные стороны и проблемы. В DED основной процесс включает в себя направление и контроль источника тепла и сырья, а также динамику энергии и расплава.

В Directed energy deposition используются четыре различных источника тепла: электрическая дуга, плазма, лазер и электронный луч. Это называется «направленным выделением энергии». Потому что источник тепла направлен на сырье, в точку или около нее. Сырье, либо проволока, либо порошок, подается на путь источника тепла, который плавит его. В результате чего сырье капает или распыляется в сравнительно большую ванну расплава.

Управляя движением источника тепла и подачи материала, ванна расплава направляется по траектории инструмента. Где она в итоге замерзает в твердый металлический валик. В проволочном Directed energy deposition этот валик намного шире, чем входное сырье. Механизмы плавления такие же, как и в обычных сварочных процессах. И требуют большого количества энергии для поддержания ванны расплава и успешного связывания осажденного материала с деталью.

В случае систем на основе электронного пучка процесс должен выполняться в вакууме. Чтобы предотвратить взаимодействие электронов с молекулами воздуха или их отклонение.

Лазерные системы требуют полностью инертной камеры при работе с химически активными металлами. Которые требуют значительного количества газа и времени для достижения желаемого уровня кислорода. В качестве альтернативы можно использовать кожух из защитного газа. Кожух достаточен для защиты осаждаемого металла от загрязнения.

Этот процесс в принципе аналогичен технологии 3D-печати методом экструзии материала. Но с Directed energy deposition сопло может перемещаться в нескольких направлениях. Имея до пяти различных осей по сравнению с тремя для большинства машин FFF.

Большое потребление энергии имеет важные конструктивные и металлургические последствия. Если использовать термин сварки, вокруг ванны расплава существует «зона термического влияния». Которая подвергается большим температурным градиентам, вызывающим остаточные напряжения, которые могут привести к деформации детали.

Эти напряжения в сочетании с цикличностью термического процесса могут отрицательно повлиять на структуру зерна и прочность напечатанного металла. Остаточные напряжения в DED могут быть настолько серьезными, что иногда требуется прерывание печати и снятие напряжения. Это включает в себя мониторинг печати, остановку ее, когда искажение превышает допустимый предел, позволяя ей остыть. А затем перемещение сборки (которая может быть очень большой и тяжелой) в печь для выполнения длительной термообработки.

Скорость процесса печати напрямую влияет на производительность и экономичность. В процессах DED скорость печати коррелирует с разрешением, измеряемым шириной нанесения. Процессы порошкового DED обычно имеют более высокое разрешение и, следовательно, имеют более низкие скорости печати, чем проводные DED.

Геометрические возможности

Выталкивание большой ванны жидкого расплава для создания слоя детали не дает особых возможностей для создания выступов или сложной внутренней геометрии. В некоторых процессах Directed energy deposition можно достичь углов свеса за счет наклона печатной платформы. Но этот подход требует передового оборудования и программного обеспечения. И позволяет получать только простые формы с одинаковой толщиной стенок. Например, полую сферу или изогнутую трубку.

При проектировании деталей DED необходимо также учитывать остаточные напряжения, возникающие в процессе. Эту проблему может усугубить большая площадь XY или отсутствие симметрии деталей. Траектории движения инструмента можно оптимизировать для уменьшения температурных градиентов и остаточных напряжений. Но для этого требуется передовое программное обеспечение и опыт моделирования.

Directed energy deposition — плюсы и минусы

Процессы Directed energy deposition создают лужи расплавленного металла. Которые требуют специальных условий для предотвращения окисления и возгорания. Это особенно важно для химически активных металлов. Например, таких как титан.

Системы DED печатают в вакууме или в камере с инертным газом или локально защищают расплавленный металл инертным газом.

У каждого из этих решений есть много плюсов и минусов:

Вакуум

— это обеспечивает среду высочайшего качества. Но требует тяжелой, дорогой, усиленной камеры, чтобы выдерживать вакуумные силы. Кроме того, химический состав металла может быть нарушен, если среда с низким давлением вызывает испарение элементов в ванне расплава. Например, алюминий испаряется при печати Ti6Al4V в вакууме.

Инертная камера

— продувка среды для печати инертным газом создает высококачественную среду. Но требует наличия закрытой системы (камеры). Это наиболее распространенный подход. Очистка большой камеры инертным газом (обычно аргоном) может быть дорогостоящей и затратной по времени.

Местное экранирование

— этот метод направляет инертный газ непосредственно в ванну расплава через жидкостное оборудование, прикрепленное к печатающей головке. Местное экранирование обеспечивает меньшую чистоту и стабильность атмосферы. Но может устранить необходимость в дорогостоящей замкнутой среде.

Местное экранирование обычно используется для очень больших деталей. Где компромисс по качеству может быть приемлемым. А закрытые помещения чрезмерно дороги.

Большинство процессов Directed energy deposition используют высокие тепловые нагрузки. Что требует больших и дорогих источников питания. Источник тепла обычно требует активного охлаждения, что еще больше увеличивает требования к мощности.

Большие блоки питания, используемые в системах DED, значительно увеличивают стоимость оборудования. В результате для их работы часто требуется дорогая электрическая инфраструктура.

Размер сборки

Конверты для сборки Directed energy deposition имеют размер от куба 150 мм до нескольких метров по каждому измерению. Некоторые OEM-производители принтеров DED изготавливают на заказ сверхбольшие принтеры для конкретных приложений.

Печатный конверт связан с разрешением и скоростью оборудования. Самые большие принтеры производят простые детали с очень низким разрешением. Также важно отметить, что более крупные детали и системы более восприимчивы к проблемам с остаточными напряжениями, упомянутыми ранее.

Идеально подходит для ремонта деталей

Возможность контролировать зернистую структуру детали делает DED хорошим решением для ремонта функциональных металлических деталей.

Более крупные детали, напечатанные на 3D-принтере

В отличие от процессов AM с порошковым покрытием. Которые обычно производят более мелкие компоненты с высоким разрешением. Некоторые запатентованные методы DED позволяют производить более крупные металлические детали. Например, технология электронно-лучевого аддитивного производства (EBAM), разработанная Sciaky. Как говорят, может производить детали длиной более 6 метров.

Высокая скорость печати

Как правило, машины DED имеют высокую скорость нанесения материала. Например, некоторые процессы DED могут достигать скорости до 11 кг металла в час.

Меньше материальных отходов

с процессами SLM и DMLS. Поскольку порошок распределяется на платформе сборки, а затем выборочно сливается вместе, часто может оставаться много нерасплавленного порошка, который необходимо повторно использовать.

В DED размещается только необходимое количество материала. Поскольку нет отходов порошка для переработки. Это приводит к эффективному использованию материала и экономии затрат.

Возможности использования различных материалов

С помощью DED порошки или проволока можно изменять или смешивать в процессе строительства для создания специальных сплавов. Эту технологию также можно использовать для создания градиента между двумя разными материалами в одной конструкции. Что позволяет добиться более высоких свойств материала детали.

Высококачественные металлические детали

DED производит детали высокой плотности с механическими свойствами. Не уступающими или превосходящими характеристики сопоставимых литых или кованых материалов. Детали, изготовленные с помощью DED, также могут достигать формы, близкой к конечной. Что означает, что они не потребуют небольшой постобработки.

Возможности гибридного производства

Направленное осаждение энергии (DED) — одна из немногих технологий 3D-печати металлом, которые можно интегрировать в обрабатывающие центры для создания гибридного производственного решения. Установив сопло для наплавки на многокоординатную систему обработки, можно быстрее и гибче изготавливать очень сложные металлические детали.

Экономика — Directed energy deposition

На приведенной ниже диаграмме показано, как процессы Directed energy deposition, основанные на силе и проводе, сравниваются с другими технологиями AM в отношении печати, материалов и постобработки для примера программы производства титановых деталей.

Высокая скорость печати DED и дешевое сырье приводят к низким затратам на печать. По сравнению с другими процессами обработки металлов давлением. Особенно для больших деталей, производимых с помощью проволочных систем.

Однако, может быть отложено значительно больше материала, чем конечный объем детали. Поскольку большинство процессов DED имеют низкое разрешение с ограниченными геометрическими возможностями.

Это называется процессом почти чистой формы, подобным литью и ковке. Проволочные DED процессы с низким разрешением могут привести к отходам дорогостоящего материала и избыточной чистовой обработке.

Порошковые процессы имеют более высокое разрешение. Хотя порошок, используемый в DED, дороже проволоки. Следовательно, могут приближаться к форме сетки, сокращая отходы материала и затраты на чистовую обработку.

Экономика - Directed energy deposition

https://www.digitalalloys.com/blog/economics-metal-additive-manufacturing/

Цены на машины DED варьируются от 200 тысяч долларов для небольших систем НИОКР, например, Optomec. До более 2 миллионов долларов для крупных промышленных принтеров, например, Sciaky.

Для принтеров DED с относительно высокой степенью использования стоимость машины является второстепенным компонентом общей экономики детали. Большая часть затрат в этих сценариях связана с использованием материалов и последующей обработкой. Включая расширение формы, близкой к конечной.

В DED, как правило, одновременно печатается только одна часть. DED-печать мелких деталей нерентабельна из-за длительного времени на настройку. А также других постоянных затрат, связанных с каждой сборкой.

Для процессов DED на основе порошка экономичность лучше всего подходит для деталей размером от теннисного до пляжного. Процессы DED по проводам экономичны для деталей размером от пляжного мяча до нескольких метров в длину.

Материалы и применение

https://www.LincolnElectric.com

Материалы и применение

Направленное осаждение энергии обычно используется с металлами в форме порошка или проволоки. Тем не менее, можно использовать Directed energy deposition (DED) с полимерами и керамикой. Например, AREVO использует Polymer DED с нитью из углеродного волокна для изготовления легких композитных деталей для конечного использования. Термопластичная нить расплавляется источником тепла и уплотняется валиком для создания слоев объекта.

Практически любой металл, который поддается сварке, может быть 3D напечатан с помощью Directed energy deposition (DED).

Directed energy deposition (DED) поддерживает широкий спектр металлов, в том числе:

  • Титановые сплавы
  • Нержавеющая сталь
  • Мартенситностареющие стали
  • Инструментальные стали
  • Алюминиевые сплавы
  • Тугоплавкие металлы (тантал, вольфрам, ниобий)
  • Суперсплавы (инконель, хастеллой)
  • Никель Медь
  • Другие специальные материалы, композиты и материалы с различной функциональностью

Примечательно, что материалы, используемые в Directed energy deposition (DED), значительно дешевле металлических порошков, используемых в порошковом металлическом AM.

Используемая проволока обычно имеет диаметр 1-3 мм. А размеры частиц порошка аналогичны тем, которые используются в процессах порошковой металлургии, между 50 и 150 мкм.

Как упоминалось ранее, одно из уникальных применений этой технологии заключается в том, что можно ремонтировать металлические детали, которые были повреждены.

Согласно ASTM International: «Directed energy deposition (DED) обладает способностью производить относительно большие детали (объем сборки> 1000 мм³), требующие минимального инструмента и сравнительно небольшой вторичной обработки. Кроме того, процессы DED могут использоваться для производства компонентов с градиентами состава или гибридных структур, состоящих из множества материалов, имеющих разные составы и структуры».

Каковы ограничения DED?

Некоторые из ограничений Directed energy deposition (DED) включают:

Низкое разрешение

Детали, изготовленные с помощью прямого энергетического осаждения, как правило, имеют низкое разрешение и плохую чистоту поверхности. Что требует вторичной обработки, которая увеличивает время и стоимость всего процесса.

Нет опорных конструкций

Directed energy deposition (DED) не поддается созданию опорных конструкций. Это ограничивает производство деталей с определенной геометрией, например, с выступами.

Стоимость

Cистемы Directed energy deposition (DED) обычно очень дороги, их стоимость превышает 500 000 долларов.

Направленное осаждение энергии — основные игроки

Сегодня на рынке представлено немало производителей 3D-принтеров Directed energy deposition (DED).

Ниже мы обобщили основные компании, которые разработали собственные технологии на основе процесса DED. А также доступные машины и объемы их сборки.

Sciaky:

EBAM® 68 — 711 x 635 x 1600 мм

EBAM® 88 — 1219 х 89 х 1600 мм

EBAM® 110 — 1778 x 1194 x 1600 мм

EBAM®150 — 2794 x 1575 x 1575 мм

EBAM® 300 — 5791 x 1219 мм x 1219 мм

Optomec:

LENS 450 — 100 х 100 х 100 мм

LENS МР-7 300 х 300 х 300 мм

LENS 850-R — 900 х 1500 х 900 мм

LENS 860 Hybrid — 860 х 600 х 610 мм

BeAM:

Modulo250 — 400 х 250 х 300

Modulo 400 — 650 х 400 х 400

Magic 800 — 1200 х 800 х 800

InnsTek:

MX-600 — 450 х 600 х 350 мм

MX-1000 — 1000 х 800 х 650 мм

MX-Grande — 4000 х 1000 х 1000 мм

DMG Mori (Hybrid):

LASERTEC 65 3D — 735 х 650 х 560 мм

Производители 3D-принтеров DED, которые создают лазерные DED-машины:

Trumpf,

FormAlloy,

Relativity,

Evobeam GmbH.

Производители 3D-принтеров DED для плазменной дуги:

Norsk Titanium,

WAAM,

GEFERTEC,

Prodways,

Lincoln Electric.

Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook