Direct Energy Deposition (DED): Proces, voordelen & beperkingen

De printkop heeft meerdere vlakken van beweging. Het kan ofwel gemonteerd zijn aan een multi-axis CNC-kop of een gegelenkige robotarm. Zie onze gids over Types of Additive Manufacturing voor meer informatie.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van DED-technologie?

Er zijn een aantal voordelen van het gebruik van DED-technologie:

1. Relatief grote bouwvolumes: Omdat de printkop van een DED-machine meestal gemonteerd is op een multi-axis CNC-kop of een gegelenkide arm, kan het een tamelijk groot gebied bedekken vergeleken met andere 3D-printmethoden (met name die met metaal werken). Prints kunnen een kubieke meter overschrijden.
2. Meerdere materialen: Veel voedmaterialen zijn compatibel met DED-fabricatie. Ze kunnen geïntroduceerd worden ofwel door een poedermengsel of meerdere draadvoeders. In feite kan de materialesamenstelling tijdens de build gewijzigd worden.
3. Minder materiaalverspilling: Vergeleken met poederbed-fusie, hoeft minder overbodig voedmateriaal toegepast te worden om de print te voltooien.
4. Controle over de korrelstructuur: DED stelt enige controle in van de korrelstructuur van het gedeponeerde materiaal. Door de snelheid van de printkop aan te passen, kun je de afkoeltijd controleren.
5. Kan gebruikt worden voor reparatie: DED is niet beperkt tot het creëren van nieuwe onderdelen vanaf nul zoals de meeste 3D-printprocessen. De machines kunnen materiaal direct op een bestaand onderdeel depositeren. Dit betekent dat DED gebruikt kan worden om beschadigde of versleten componenten te repareren.

Wat zijn de nadelen van het gebruik van DED-technologie?

DED is niet de ideale oplossing voor elk geval, aangezien de technologie wel nadelen heeft:

1. Lage resolutie: Over het algemeen is DED-technologie alleen in staat om kenmerken te creëren met een lage detailresolutie. Dit is een functie van de voeddraaddikte en de grootte van de smeltpool. De resolutie hangt ook af van de printsnelheid — sneller printen resulteert in een lagere resolutie.
2. Hoge kapitaalkosten: DED-apparaten zijn duur. Meeste hebben complexe systemen nodig zoals een hermetisch afgedichte printkamer, vacuum of inert gas systeem, een poederkamer voor systemen met poedervoeding, etc. Ze zijn een relatief nieuwe technologie, dus ze hebben nog niet veel kostendrukende verfijningen ontvangen.
3. Post-processing: Onderdelen geproduceerd met DED-technologie vereisen doorgaans post-processing om mooie oppervlakteafwerkingen te bereiken. Dit komt doorgaans in de vorm van lichte bewerking en polijsten om overmatige depositie te verwijderen en een gladde, consistente oppervlakte te creëren.

Welke materialen kunnen gebruikt worden met DED?

DED kan printen met gevarieerde materialen. De meerderheid van materialen gebruikt met DED-technologieën zijn metalen zoals: titanium en titaniumlegeringen, Inconel®, tantalum, wolfram, en enkele roestvrij staalsoorten.

Bepaalde non-metalen functioneren ook op DED-machines — een type koolstofvezel kan geprint worden waarin een koolstoffilament in een thermoplastisch polymere wordt gelegd. Alumina en zirconia keramieken werken ook goed met DED.

Wat zijn voorbeeldtoepassingen van DED?

Additieve productie met metalen en andere materialen geeft DED de mogelijkheid om in veel toepassingen te passen, waarvan sommige geen opties zijn voor andere 3D-printmethoden:

1. Repareren van bestaande onderdelen: Het primaire doel van DED-technologie is in de reparatie van metalen onderdelen. De methode kan nieuw materiaal op complexe oppervlakken depositeren. Met aanpassingen aan de snelheid en energiebron, is het ook mogelijk om de korrelstructuur van het gedeponeerde materiaal te controleren om die van het oorspronkelijke onderdeel te matchen. DED wordt daarom gebruikt om dure componenten zoals turbinebladen te repareren.
2. Near Net Shape: DED kan onderdelen produceren die heel dicht bij hun geplande afmetingen zijn. Dit is zeer waardevol bij het produceren van exotische en dure materialen of materialen die erg moeilijk te snijden en bewerken zijn.
3. Composiet of Hybride Onderdelen: DED geeft je de mogelijkheid om met verschillende materialen tegelijk te printen. Een mengsel van compatibele materialen kan in het geprinte item gaan, en de samenstelling kan zelfs gedurende de print variëren.

Welke factoren beïnvloeden de kwaliteit van DED-onderdelen?

De printkwaliteit van DED is cruciaal voor de bruikbaarheid van de eindproducten. De volgende factoren hebben invloed op de kwaliteit:

1. Porositeit: Porositeit in het gedeponeerde materiaal resulteert in zwakke punten — de poriën zijn essentieel interne defecten. Porositeit geminimaliseerd door het poedervoedsel te drogen om vocht uit te sluiten en door correct gebruik van schildgas.
2. Scan Snelheid: De snelheid waarmee de kop langs het bouwpad beweegt beïnvloedt de grootte van de smeltpool, de afkoelsnelheid, en dus de korrelstructuur. Samen genomen beïnvloedt het allemaal de kwaliteit van het onderdeel. De optimale snelheid hangt af van het gebruikte materiaal en de gewenste korrelstructuur.
3. Vermogen: Het vermogen geleverd door de energiebron heeft een direct effect op de smelt en is gerelateerd aan de scansnelheid. Energieoverdracht aan het onderdeel moet voldoende zijn om het gasthermateriaal correct te smelten zelfs terwijl de DED-printkop langs het bouwpad beweegt. Als het niet genoeg vermogen uitlevert, zal de printkwaliteit niet op een hoog niveau zijn.

Wat zijn veelvoorkomende uitdagingen bij het implementeren van DED-technologie?

DED-technologie is complex en uitdagend om te implementeren.

1. Hoge kapitaalkosten: Een van de grootste barrières voor het implementeren van DED-technologie is de grote initiële investering nodig om het op te zetten.
2. Tekort aan geschoolde technici: Geschoolde en ervaren operators zijn nodig om het DED-systeem efficiënt en nauwkeurig te draaien. Omdat dit een groeiend veld is, zijn geschoolde technici moeilijk te vinden. Je kunt ervoor kiezen om je personeel in-house te trainen in plaats van nieuwe mensen aan te stellen, maar dit is nog steeds noch snel noch goedkoop.
3. Nieuwe ontwerpbenadering: Bij het ontwerpen van componenten die gebouwd worden met DED-technologie, moet je altijd rekening houden met hoe de printkop beweegt. Als ze niet vanaf het begin voor dit ontworpen zijn, zullen veel onderdelen herontwerp nodig hebben voordat ze met DED geproduceerd worden. Dit proces voegt inspanning en werkuur toe elke keer.
4. Afwezigheid van standaarden: Additieve productie in het algemeen is nog een relatief nieuwe technologie en nieuwe technologische benaderingen worden elk jaar ontwikkeld. Er is weinig standaardisatie in digitaal informatiebeheer, ontwerp of productieprocessen voor deze systemen.

Wat moet je overwegen bij het kiezen van DED-apparatuur?

De beslissing welk DED-apparaat te kopen vereist een redelijk hoeveelheid onderzoek en overweging. Er zijn een aantal sleutelaspecten om te onderzoeken bij het kiezen van DED-apparatuur:

1. Materiaalcompatibiliteit: Het belangrijkste deel van de beslissing is welke materialen je verwacht dat je apparatuur print. Een machine die keramieken kan printen, zal significant verschillen van een die alleen voor metalen bedoeld is.
2. Bouwvolume: Een andere sleuteloverweging is het grootste onderdeel dat je verwacht te produceren. Dit zal de algehele bouwvolume van je DED-apparatuur dicteren.
3. Precisie: Afhankelijk van het type componenten en de post-processing die je plant, moet je misschien apparatuur kiezen op basis van de precisie. Je kan gedwongen zijn om af te wegen tussen een grotere, snellere machine en een met betere precisie.

Hoe vergelijkt DED zich met traditionele productiemethoden?

DED is in staat om een component veel dichter bij zijn eindvorm (near net shape) te bouwen dan de meeste standaard productieopties. Het gebruikt dus veel minder materiaal om het afgeronde item te bereiken. Traditionele productiemethoden vereisen een blok bronmateriaal dat dan gesneden wordt met subtractieve productiemethoden. Ze verwijderen materiaal om aan het eindonderdeel te komen. Deze verwijdering van materiaal genereert veel materiaalverspilling als snijafval en schavingen. Daarom is DED efficiënter dan traditionele methoden in termen van materiaalgebruik.

DED-processen kunnen ook complexere onderdelen genereren dankzij de multi-axis beweging van de printkop en de aard van het progressief bouwen van een component, één laag per keer. Traditioneel geproduceerde items zijn meer beperkt in termen van geometrie. Gewoonlijk moeten complexe onderdelen gebouwd worden als een serie kleinere onderdelen die na afloop gemonteerd worden.

Wat zijn de milieuverontreinigingszorgen over DED-technologie?

De milieueffecten van additieve productie als geheel zijn nog onder onderzoek. De meest voorkomende milieukwestie bij additieve productietechnologieën, DED inbegrepen, is hun hoge energiebehoefte. De keuze van het meest efficiënte productieproces (tussen typische, subtractieve methoden en nieuwere additieve processen) hangt af van de complexiteit en het volume van de te produceren onderdelen.

Wat zijn de typen DED?

Er zijn momenteel drie verschillende variaties van DED-technologie. Ze zijn gecategoriseerd volgens de energiebron die gebruikt wordt om het voedmateriaal te smelten:

1. Plasma- of Elektrische Boog-gebaseerde DED

Een elektrische boog wordt gecreëerd tussen de printkop en het werkstuk. Wire arc additive manufacturing (WAAM) is een van de primaire boog-gebaseerde methoden.

2. Laser-gebaseerde DED

Een optische laser wordt gebruikt als energiebron in deze variatie, ook aangeduid als laser engineering net shaping (LENS). Net-shape productie betekent dat het oorspronkelijk geproduceerde onderdeel heel dicht bij de afgeronde (net) afmetingen is. Met LENS moet de materiaaldepositie plaatsvinden in een inerte omgeving om oxidatie te voorkomen, wat betekent dat de productiekamer volledig geperst moet worden met inert gas of een voeding van schildgas constant moet stromen als een schaduw rond het depositiepunt.

3. Elektronenbundel-gebaseerde DED

Een elektronenbundel wordt gebruikt om de energie te leveren om het voedmateriaal in de benadering bekend als electron beam additive manufacturing (EBAM) te smelten. Dit DED-proces moet plaatsvinden in een vacuum om te voorkomen dat de elektronen interacteren met luchtmoleculen.

Wat zijn DED voedertypen?

Elk DED-apparaat levert materiaal aan het oppervlak van het onderdeel met een van twee voedermethoden:

1. Poeder-gebaseerde DED

Met een poedervoeding bevat de mond die de energiebron voorziet ook materiaalvoedmonden gerangschikt concentrisch eromheen die poeder richten op het depositiepunt. Inert gasstroom wordt gebruikt om het poeder te leveren, en het inert gas werkt verder om oxidatie of andere chemische reacties tussen de gesmolten materialen en de omgeving te remmen.

2. Draad-gebaseerde DED

Draad-gebaseerde DED is vergelijkbaar met lassen in die de voedmateriaal geleverd wordt als een draadfilament. Deze draad wordt onder een hoek van naast de energiebron gevoerd en met een constante snelheid gedicteerd door de depositiesnelheid.