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(fèi)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(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——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(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)）�？梢钥吹皆S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，整個(gè)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(shì)。DED方法對(duì)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(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，最終材料性能類似于鍛造材料。由于該零件在建造過程中可以在多個(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程中快速混合，現(xiàn)有零件的材料性能可以通過更強(qiáng)的合金化或使用具有腐蝕或耐磨性能的材料來逐層增強(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(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500萬美元。

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(gè)月的交貨時(shí)間，同時(shí)還消除了對(duì)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(shí)，沒有備用齒輪庫存，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)例子說明了DED易于部署，提供了快速的投資回報(bào)率，并為組織開發(fā)更先進(jìn)的增材制造應(yīng)用提供了切實(shí)可行的途徑。

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