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定向能量沉积技术全攻略｜增材制造核心技巧

发表时间：2026-03-15 05:20:32
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摘要分析定向能量沉积和粉末床融合，为“近净形”和“净形”制造过程所需的额外加工提供了彻底的理解。

　　【机床商务网栏目科技动态】本文的作者Timothy W. Simpson，前不久一直很朋友在讨论使用加法制造(AM)制造大部件的挑战。具体来说，由于固有成本和构建时间的限制，对大型部件采用了比例粉底熔合(PBF)的工艺。

　　定向能沉积(DED)与PBF类似，因为它使用激光(或电子)束来熔化粉末。然而，粉末原料的沉积和熔化方式使其更容易和成本有效地扩展到更大的AM部件。

　　根据ASTM/ISO AM术语标准(ISO/ASTM 52900-15)，“DED是一种增材制造工艺，在其过程中，聚焦热能被用于熔化正在沉积的材料。”虽然激光可能是DED比较受欢迎的“聚焦热能”来源，但电子束和等离子弧系统很容易从Sciaky和Norsk钛公司获得。在以激光为基础的粉末输送技术中，熔化的材料是通过小喷嘴或小孔“吹”金属粉末到激光形成的熔体池中。根据所使用的激光器的功率和类型，激光束被聚焦到一个已知的光斑大小(例如，500瓦激光器的光斑大小为0.5或1毫米，2.5千瓦激光器的光斑大小为1.5或3毫米)。熔池的深度和速度是由激光的扫描速度(或在激光下的构建平台上的部件的运动)和正在沉积的原料的能量吸收和热导率所决定的。一个大型的、热的、移动缓慢的熔池的粉末捕获率(70%-80%，这是较好的情况)将高于一个更小或更快的移动熔体池(20%-30%的捕获率，这是差的情况)。

　　在这两种情况下，无论如何，AM部件的热历史以及微观结构和力学性能都是不同的。这是DED所面临的挑战之一，也就是调整你的工艺参数以确保快速的构建时间，高效地使用粉末和尺寸精确的部件。

　　一旦优化，DED的构建速度往往会比PBF要快一些。与PBF相比，该激光器的光斑尺寸至少为10倍或更大。这等于创建了一个更大的熔化池目标，粉末击中，熔化和融合在一起。想象一下，如果你试图在PBF系统中撞击直径为50- 75微米的熔体池，粉末的捕获率会是多少?

　　此外，更大的粉末颗粒往往用于DED体系(直径50- 150微米的DED相比20- 50微米的PBF)，因为它们往往流动地更好，能提供更多的表面积，以加快熔化过程。与PBF相比，ger粉末颗粒还能够形成更厚的层，这意味着在使用DED时所形成的层更少。

　　如图所示的喷嘴。在Ti-6Al-4V的500瓦激光粉末输送系统上，这个喷嘴只需要大约20分钟。在我们400瓦的基于激光的PBF系统上构建相同的部件也需要大约20分钟的激光扫描时间，但是在PBF系统上构建该部件的总时间几乎是4个小时。为什么会有这么大的差异?有了DED，你只在需要的地方存放材料。激光只需绕喷嘴的圆周运动三到四次就可以形成一层，激光重新定位后，下一层就马上开始。然而，对于PBF，只能在新一层粉末被扩散后才能开始下一层。所以，如果这个部件是用30微米的层建造的，那么这个45毫米高的喷嘴就有1500层。将层数乘以重涂一层所需的时间(Ti-6Al-4V大约9秒)，重涂时间约为3.67小时。目前的激光PBF系统使用60微米层(在某些系统中为90微米)制造Ti-6Al-4V部件，但这仍然意味着PBF系统上喷嘴的制造时间接近2小时(或90微米层时为1.5小时)。

　　虽然DED喷嘴的建造速度更快，但你可以从图中看到零件表面的光洁度相当粗糙(与砂型铸造时的效果相当)。因此，你可能需要更多的机械加工来完成DED零件，并满足相应的规格。所以，许多人认为DED更像是一种“近净形状”过程，而不是像PBF那样的“净形状”制造过程。

　　(原标题：What Is Directed Energy Deposition?)

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