Metaal 3D-printen:wat is directe energieafzetting?

Directe energiedepositie (DED) is een reeks van verschillende vergelijkbare metalen 3D-printtechnologieën die onderdelen maken door materiaal te smelten en samen te smelten terwijl het wordt afgezet. Hoewel het kan worden gebruikt om nieuwe onderdelen te vervaardigen, wordt DED doorgaans gebruikt voor het repareren en opnieuw opbouwen van beschadigde onderdelen. DED, een van de belangrijkste metaal 3D-printtechnologieën, wordt al gebruikt in belangrijke industrieën zoals lucht- en ruimtevaart en defensie, olie en gas, evenals de maritieme industrie. In de tutorial van vandaag zullen we het DED-proces, de voordelen en beperkingen en bestaande gebruiksscenario's onderzoeken.

Hoe werkt DED?

Directe energiedepositie heeft soms verschillende namen, waaronder 3D-laserbekleding en fabricage van gericht licht. Bovendien worden bepaalde gepatenteerde technologieën die zijn gemodelleerd op DED soms door elkaar gebruikt:Electron Beam Additive Manufacturing (Sciaky), Laser Engineered Net Shaping (Optomec), Rapid Plasma Deposition (Norsk Titanium) of Wire Arc Additive Manufacturing. Hoewel elk proces iets anders werkt, is het principe erachter hetzelfde.

In het DED-proces wordt het grondstofmateriaal, dat in metaalpoeder- of draadvorm wordt geleverd, door een invoermondstuk geduwd waar het wordt gesmolten door een gerichte warmtebron (meestal een laser, maar kan ook een elektronenstraal of boog zijn) en achtereenvolgens toegevoegd aan het bouwplatform. Zowel de warmtebron als het toevoermondstuk zijn gemonteerd op een portaalsysteem of robotarm. Het proces vindt typisch plaats in een hermetisch afgesloten kamer gevuld met inert gas om de materiaaleigenschappen beter te beheersen en het materiaal te beschermen tegen ongewenste oxidatie.

Bekijk de technologie in actie:

Materialen

DED ondersteunt een breed scala aan metalen, waaronder:

• Titaniumlegeringen
• Roestvrij staal
• Maragingstaal
• Gereedschapsstaal
• Aluminiumlegeringen
• Vuurvaste metalen (tantaal, wolfraam, niobium)
• Superlegeringen (Inconel, Hastelloy)
• Nikkelkoper
• Andere speciale materialen, composieten en functioneel gesorteerde materialen

Met name de materialen die in DED worden gebruikt, zijn aanzienlijk goedkoper dan metaalpoeders die worden gebruikt in poederbedmetaal AM.

Directe energiedepositie:voor- en nadelen

DED-technologie wordt al een aantal jaren gebruikt en biedt een scala aan voordelen:

• Ideaal voor het repareren van onderdelen:De mogelijkheid om de korrelstructuur van een onderdeel te controleren, maakt DED een goede oplossing voor het repareren van functionele metalen onderdelen.

• Grotere 3D-geprinte onderdelen :In tegenstelling tot AM-processen van metaal met poederbed, die doorgaans kleinere, high-definition componenten produceren, kunnen sommige gepatenteerde DED-methoden grotere metalen onderdelen produceren - bijvoorbeeld de Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)-technologie, ontwikkeld door Sciaky, zou onderdelen kunnen produceren die groter zijn dan 6 meter.

• Hoge afdruksnelheid :DED-machines hebben doorgaans een hoge materiaalafzetting. Sommige DED-processen kunnen bijvoorbeeld een snelheid tot 11 kg metaal per uur bereiken.

• Minder materiaalverspilling :Bij SLM- en DMLS-processen, omdat poeder op het bouwplatform wordt verspreid en vervolgens selectief samengesmolten, kan er vaak veel niet-gefuseerd poeder overblijven dat opnieuw moet worden gebruikt. In contracten wordt bij DED alleen de benodigde hoeveelheid materiaal gestort. Aangezien er geen afvalpoeder is om te recyclen, resulteert dit in efficiënt materiaalgebruik en kostenbesparingen.

• Multi-materiaalmogelijkheden :Met DED kunnen poeders of draden tijdens het bouwproces worden gewijzigd of gemengd om aangepaste legeringen te creëren. De technologie kan ook worden gebruikt om een ​​gradiënt te creëren tussen twee verschillende materialen binnen dezelfde constructie, waardoor sterkere materiaaleigenschappen voor een onderdeel worden bereikt.

• Hoogwaardige metalen onderdelen :DED produceert zeer dichte onderdelen met mechanische eigenschappen die even goed of beter zijn dan die van vergelijkbare gegoten of gesmeed materialen. Onderdelen geproduceerd met DED kunnen ook bijna-netvormen bereiken, wat betekent dat ze weinig nabewerking nodig hebben.

• Hybride productiemogelijkheden :DED is een van de weinige metalen 3D-printtechnologieën die geschikt zijn voor integratie in bewerkingscentra om een ​​hybride productieoplossing te creëren. Door een depositiemondstuk op een meerassig bewerkingssysteem te monteren, kunnen zeer complexe metalen onderdelen sneller en met meer flexibiliteit worden geproduceerd.

Wat zijn de beperkingen van DED?

Enkele beperkingen van DED zijn:

• Lage resolutie: Onderdelen geproduceerd met Direct Energy Deposition hebben meestal een lage resolutie en een slechte oppervlakteafwerking, waardoor secundaire bewerking nodig is, wat tijd en kosten zal toevoegen aan het totale proces.

• Geen ondersteunende structuren: DED leent zich niet voor het maken van ondersteuningsstructuren, wat de productie van onderdelen met bepaalde geometrieën, bijvoorbeeld overhangen, beperkt.

• Kosten: DED-systemen zijn doorgaans erg duur, met kosten van meer dan $ 500.000.

Directe energiedepositie:de machines

In de onderstaande tabel hebben we de belangrijkste bedrijven samengevat die eigen technologieën hebben ontwikkeld op basis van het DED-proces, naast de beschikbare machines en hun bouwvolumes.

Fabrikant Systeemnaam Bouw volume Sciaky EBAM® 68711 x 635 x 1600 mmEBAM® 881219 x 89 x 1600 mmEBAM® 110 1778 x 1194 x 1600 mmEBAM®1502794 x 1575 x 1575 mmEBAM® 3005791 x 1219 mm x 1219 mmOptomec LENS 450 100 x 100 x 100 mm LENS MR-7300 x 300 x 300 mmLENS 850-R 900 x 1500 x 900 mm LENS 860 Hybrid860 x 600 x 610 mmBeAM Modulo 250400 x 250 x 300 Modulo 400650 x 400 x 400Magic 8001200 x 800 x 800 InnsTek MX-600450 x 600 x 350 mm MX-10001.000 x 800 x 650 mm MX-Grande4.000 x 1.000 x 1.000 mmDMG Mori (hybride) LASERTEC 65 3D735 x 650 x 560 mm

Veelgebruikte gevallen

DED is met succes toegepast in verschillende industrieën, waaronder lucht- en ruimtevaart, olie &gas, defensie, marine en architectuur. Luchtvaartfabrikanten gebruiken de technologie steeds vaker om structurele onderdelen voor satellieten en militaire vliegtuigen te produceren. Lockheed Martin Space heeft bijvoorbeeld onlangs het EBAM-proces van Sciaky gekwalificeerd om koepels voor titaniumbrandstoftanks voor satellieten te bouwen. Door de technologie te gebruiken, kon het bedrijf de productietijd voor het onderdeel met 87% verminderen en de doorlooptijd verkorten van twee jaar naar drie maanden.

DED wordt ook overwogen voor structurele onderdelen voor commerciële vliegtuigen . Een voorbeeld zijn recentelijk door de FAA goedgekeurde titanium onderdelen voor vliegtuigen voor Boeing 787 Dreamliner, vervaardigd door Norsk Titanium. Het Noorse bedrijf gebruikte zijn gepatenteerde Rapid Plasma Deposition-technologie, een vorm van DED-technologie, die hielp om een ​​aanzienlijke verbetering van de buy-to-fly-ratio te bereiken in vergelijking met conventionele productiemethoden. Nu titaniumonderdelen in serieproductie gaan, verwacht Boeing de productiekosten met $ 2 tot $ 3 miljoen per vliegtuig te verlagen.

Naast het produceren van metalen onderdelen, is DED-technologie zeer geschikt voor het repareren van beschadigde onderdelen. Dankzij de sterke metallurgische binding en fijne, uniforme microstructuren die DED kan produceren, kunnen componenten zoals turbinebladen en inzetstukken van spuitgietgereedschappen worden gereconditioneerd. Door versleten onderdelen, mallen of matrijzen te repareren, maakt DED het mogelijk om de uitvaltijd en de kosten die gepaard gaan met het vervangen van onderdelen aanzienlijk te verminderen, terwijl de levensduur van het onderdeel wordt verlengd.

Bovendien kan DED worden gebruikt om onderdelen aan te passen. Door bijvoorbeeld de technologie te gebruiken om een ​​slijtvaste harde deklaag af te zetten, kan de slijtvastheid en corrosieweerstand van een onderdeel worden verbeterd.

De toekomst van DED

DED biedt tal van voordelen voor industrieën die hoogwaardige apparatuur en op maat gemaakte metalen onderdelen moeten maken of repareren, vooral die van grotere afmetingen. Als we naar de toekomst kijken, verwachten we dat het toepassingsgebied van de technologie zal toenemen, vooral vanwege de opwindende trend van hybride productie. Door de integratie met conventionele productietechnologieën zou DED vooruitgang kunnen brengen in industrieën die op zoek zijn naar innovatieve en kosteneffectieve productiemogelijkheden.