用于工业零件修复的定向能量沉积:3D金属打印如何节省时间和降低成本

来源：长三角G60激光联盟

增材制造在工业应用中不仅用于生产新的金属零件，还用于修复和替换现有零件。在美国，由于零件腐蚀或磨损，每年要花费数十亿美元来修复或更换金属零件。通过金属增材制造的广泛应用以及交货时间的大幅缩短，可以减少约三分之一的成本。

金属增材制造，更具体地说——定向能量沉积——为工业维修应用节省了时间和成本。本文将解释定向能量沉积的基础知识，它与传统和其他增材制造工艺的区别，并展示实际定向能量沉积修复应用，以此证明采用金属增材制造修复应用的合理性。

目前用于金属增材制造的两种最常见的方法是粉末床熔合(PBF)和定向能量沉积(DED)。PBF主要用于打印新零件，而DED既可以打印新的3D金属零件，也可以向现有零件添加材料，从而实现更广泛的应用，如修复，表面改性，以及将DED与传统减法工艺相结合的混合制造。

定向能量沉积和粉末床聚变有什么区别?
DED与PBF相似，因为是使用激光（或电子）束熔化粉末。但DED的粉末原料的沉积和熔化方式可以更容易，更经济地扩展到更大的增材制造零件。

DED零件的表面光洁度非常粗糙（与砂型铸造时所达到的相当）。可以看到许多实际的层，并且零件的尺寸精度远小于PBF系统上的精度。

DED系统通过指向高功率激光焦点的喷嘴连续地用气体(通常是氩气)吹粉。由此产生的金属熔池(有时被称为焊接池)然后使用运动控制系统移动，零件在自由空间中建立。随着零件一层一层地生长，整个过程是可见的。

PBF系统使用激光选择性地一层一层地熔化金属粉末层，以建立物理部分。在第一层铺展和选择性熔化后，再用第二层粉末填充床层，重复该过程，直到零件完全成形。最终的结果被埋在一块粉末中，直到在后期处理中除去多余的粉末，以及用该零件构建的任何支撑结构，才能看到。

两种金属增材制造工艺都有各自的优势。DED方法对于大中型零件来说更快、更高效，并且更擅长向现有零件中添加材料，例如零件修改或维修应用。它以其高沉积速率和快速建造/修复较大零件而广受欢迎。PBF方法更适合于制造更小、形状更复杂的零件，并产生更好的表面光洁度。

DED的好处是什么?
使用DED流程有很多好处。它可以快速加工几乎任何类型的金属。DED系统可以容纳从中型到超大型零件的建造量。系统可以从3个轴到同时5个轴或更多轴运行，允许构建具有复杂几何形状的零件。通常，零件在激光下移动，在激光安全的密封环境中保持垂直位置。激光安全玻璃使用户能够观看零件的建造、修改或维修。
因为它形成了冶金结合(像焊接一样，但有一个非常小的热影响区)，零件被建造得完全致密，最终材料性能类似于锻造材料。由于该零件在建造过程中可以在多个轴上移动，因此不需要支撑结构。由于金属粉末可以在建造过程中快速混合，现有零件的材料性能可以通过更强的合金化或使用具有腐蚀或耐磨性能的材料来逐层增强。修复后的零件实际上可以增强材料性能，因此它们比刚制造时更好。所有这些优点加上DED工艺的快速材料沉积速率，使其在生产应用中非常具有吸引力。

哪些应用程序最适合使用DED?
使用DED可以最有效地处理许多零件修复的关键应用。例如，美国陆军安尼斯顿车厂使用DED来维修M1艾布拉姆斯坦克的发动机零件。在沙漠环境中，霍尼韦尔AGT 1500等坦克发动机的磨损严重，需要更短的间隔维护周期。AGT 1500发动机零件在高温焊接过程中会产生变形，用传统方法难以修复。使用DED，高度聚焦的激光束将能量精确地传递到修复区域，由于该过程的热影响区域非常小，残余应力很少，畸变可以忽略不计，从而实现了这些发动机零件的修复。这使得陆军通过维修而不是更换磨损的发动机零件，每年节省超过500万美元。

另一个例子是电子卫星外壳，其中使用了混合工艺以减少制造成本和时间。在这个例子中，壳体的圆盘底座是从钢坯加工而来的，薄壁结构是使用DED建立起来的。混合工艺缩短了6个月的交货时间，同时还消除了对专用工具的需求。

即使是像新墨西哥州当地萨尔萨酱工厂这样的小组织也从DED处理修复应用中获益。当萨尔萨酱生产线因螺旋齿轮损坏而关闭时，没有备用齿轮库存，需要8周的提前时间才能交付替代品，生产力严重下降，这意味着将遭受重大损失。但使用DED，铬镍铁合金斜齿轮被修复，生产线在一天内恢复运行。

这几个例子说明了DED易于部署，提供了快速的投资回报率，并为组织开发更先进的增材制造应用提供了切实可行的途径。

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