Directe energiedepositie (DED):proces, voordelen en beperkingen

Directe energiedepositie (DED), ook wel gerichte energiedepositie genoemd, is een bijzondere benadering van additive manufacturing (3D-printen). Het richt een energiebron op een plek op het bronmateriaal om een ​​kleine hoeveelheid smelt te maken en voegt vervolgens voedingsmateriaal aan deze smelt toe om nieuw materiaal op het onderdeel af te zetten. Details over de beschikbare DED-energiebronnen, verschillende voedingssystemen en voor- en nadelen worden hieronder uitgelegd.

Wat is directe energiedepositie (DED)?

Directe (of gerichte) energiedepositie (DED) is een methode voor additieve productie (3D-printen). Een energiebron wordt op een punt gericht en het voedingsmateriaal wordt op dezelfde plek geïntroduceerd, zodat het op het werkstuk kan worden afgezet. Het heeft enkele overeenkomsten met robotlassen waarbij een metaaldraad op het hoofdonderdeel wordt gesmolten (neergeslagen). DED-apparaten kunnen elektronenstralen, lasers of elektrische bogen gebruiken om het smeltbad te vormen. Nieuw materiaal kan de vorm hebben van draadfilament of poeder.

Hoe werkt directe energiedepositie (DED)?

Directe energiedepositie werkt door een specifiek gebied op het vervaardigde onderdeel te verwarmen tot de smelttemperatuur en vervolgens voedingsmateriaal toe te voegen. De printkop beweegt langs het bouwpad en de smelt stolt vervolgens terwijl het voedingsmateriaal op het hoofdlichaam is afgezet. 

De gerichte energiebron (een laser, elektronenstraal of elektrische boog) bevindt zich in het midden van een printkop, met het voedingsmateriaal ernaast. Het voedermiddel kan worden geleverd in de vorm van een draadfilament of een poeder. Het filament wordt onder een hoek ingevoerd, zodat het smelt op het brandpunt van de energiebron. Poeder daarentegen wordt getransporteerd door een inert gas via mondstukken die concentrisch rond de energiebron zijn geplaatst en op het smeltpunt zijn gericht.

De printkop heeft meerdere bewegingsvlakken. Het kan worden gemonteerd op een meerassige CNC-kop of op een gelede robotarm. Raadpleeg onze gids over soorten Additive Manufacturing voor meer informatie.

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

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

1. Relatief grote bouwvolumes: Omdat de printkop van een DED-machine meestal op een meerassige CNC-kop of een gelede arm is gemonteerd, kan deze een vrij groot gebied bestrijken in vergelijking met andere 3D-printmethoden (vooral die waarbij met metaal wordt gewerkt). Afdrukken kunnen groter zijn dan één meter in blokjes. 
2. Meerdere materialen: Veel voedermiddelen zijn compatibel met DED-fabricage. Ze kunnen worden geïntroduceerd via een poedermengsel of via meerdere filamenttoevoeren. De materiaalsamenstelling kan zelfs tijdens de bouw worden gewijzigd.
3. Minder materiaalverspilling: In vergelijking met poederbedfusie hoeft er minder overtollig voedingsmateriaal te worden aangebracht om de print te voltooien.
4. Controle van de graanstructuur: DED maakt enige controle mogelijk over de korrelstructuur van het afgezette materiaal. Door de snelheid van de printkop aan te passen, kunt u de koeltijd regelen.
5. Kan worden gebruikt om te repareren: DED beperkt zich niet tot het helemaal opnieuw maken van nieuwe onderdelen, zoals bij de meeste 3D-printprocessen. De machines kunnen materiaal ook rechtstreeks op een bestaand onderdeel storten. Dit betekent dat DED gebruikt kan worden om beschadigde of versleten onderdelen te repareren.

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

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

1. Lage resolutie: Over het algemeen kan DED-technologie alleen functies creëren met een lage detailresolutie. Dit is een functie van de dikte van de voedingsdraad en de grootte van het smeltbad. De resolutie is ook afhankelijk van de afdruksnelheid; sneller afdrukken resulteert in een lagere resolutie.
2. Hoge kapitaalkosten: DED-apparaten zijn duur. De meesten hebben complexe systemen nodig, zoals een hermetisch afgesloten drukkamer, een vacuüm- of inertgassysteem, een poederkamer voor systemen met poedertoevoer, enz. Het is een relatief nieuwe technologie, dus er zijn nog niet veel kostenbesparende verfijningen doorgevoerd. 
3. Nabewerking: Onderdelen vervaardigd met DED-technologie vereisen meestal nabewerking om een mooie oppervlakteafwerking te verkrijgen. Dit komt meestal in de vorm van wat licht machinaal bewerken en polijsten om overtollige afzetting te verwijderen en een glad, consistent oppervlak te creëren.

Welke materialen kunnen worden gebruikt met DED?

DED kan met uiteenlopende materialen printen. De meeste materialen die bij DED-technologieën worden gebruikt, zijn metalen zoals:titanium en titaniumlegeringen, Inconel®, tantaal, wolfraam en sommige roestvrijstalen varianten.

Bepaalde niet-metalen functioneren ook op DED-machines:er kan een soort koolstofvezel worden geprint waarbij een koolstoffilament in een thermoplastisch polymeer wordt gelegd. Keramiek van aluminiumoxide en zirkoniumoxide 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. Bestaande onderdelen repareren: Het primaire doel van DED-technologie is het repareren van metalen onderdelen. De methode kan nieuw materiaal op complexe oppervlakken afzetten. Met aanpassingen aan de snelheid en energiebron is het ook mogelijk om de korrelstructuur van het afgezette materiaal aan te passen aan die van het originele onderdeel. DED wordt daarom gebruikt om dure onderdelen zoals turbinebladen te repareren.
2. Bijna netvorm: DED kan onderdelen vervaardigen die zeer dicht bij de geplande afmetingen liggen. Dit is zeer waardevol bij het vervaardigen van exotische en dure materialen of materialen die zeer moeilijk te snijden en te bewerken zijn.
3. Composiet of hybride onderdelen: DED geeft je de mogelijkheid om tegelijkertijd met verschillende materialen te printen. Er kan een mix van compatibele materialen in het gedrukte item worden verwerkt, en de samenstelling ervan kan zelfs tijdens 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 afgezette materiaal resulteert in zwakke punten; de poriën zijn in wezen interne defecten. De porositeit moet worden geminimaliseerd door de poedertoevoer te drogen om vocht buiten te houden en door het juiste gebruik van beschermgas.
2. Scansnelheid: De snelheid waarmee de kop langs het bouwpad beweegt, heeft invloed op de grootte van het smeltbad, de afkoelsnelheid en dus op de korrelstructuur. Alles bij elkaar heeft dit allemaal invloed op de kwaliteit van het onderdeel. De optimale snelheid is afhankelijk van het gebruikte materiaal en de gewenste korrelstructuur.
3. Kracht: Het door de energiebron geleverde vermogen heeft een direct effect op de smelt en is gerelateerd aan de scansnelheid. De energieoverdracht naar het onderdeel moet voldoende zijn om het gastmateriaal op de juiste manier te laten smelten, zelfs als de DED-printkop langs het bouwpad beweegt. Als er niet genoeg stroom wordt afgegeven, zal de afdrukkwaliteit niet optimaal zijn. 

Wat zijn enkele veel voorkomende uitdagingen bij het implementeren van DED-technologie?

DED-technologie is complex en uitdagend om te implementeren. 

1. Hoge kapitaalkosten: Een van de grootste belemmeringen voor de implementatie van DED-technologie zijn de grote initiële investeringen die nodig zijn om deze op te zetten. 
2. Gebrek aan geschoolde technici: Bekwame en ervaren operators zijn nodig om het DED-systeem efficiënt en nauwkeurig te laten werken. Omdat dit een groeiend vakgebied is, zijn bekwame technici moeilijk te vinden. U kunt ervoor kiezen om uw personeel intern op te leiden in plaats van nieuwe mensen aan te nemen, maar dit is nog steeds niet snel en ook niet goedkoop. 
3. Nieuwe ontwerpaanpak: Bij het ontwerpen van componenten die met DED-technologie moeten worden gebouwd, moet u altijd rekening houden met de manier waarop de printkop beweegt. Als ze er niet vanaf het begin voor zijn ontworpen, zullen veel onderdelen opnieuw moeten worden ontworpen voordat ze met DED kunnen worden vervaardigd. Dit proces voegt elke keer inspanning en werkuren toe.
4. Afwezigheid van normen: Additieve productie is over het algemeen nog steeds een relatief nieuwe technologie en er worden elk jaar nieuwe technologische benaderingen ontwikkeld. Er is weinig standaardisatie in het digitale informatiebeheer, het ontwerp of de productieprocessen voor deze systemen.

Waar moet u op letten bij het kiezen van DED-apparatuur?

De beslissing welk DED-apparaat u moet kopen, vereist behoorlijk wat onderzoek en overweging. Er zijn een aantal belangrijke aspecten die u moet onderzoeken bij het kiezen van DED-apparatuur:

1. Materiaalcompatibiliteit: Het belangrijkste onderdeel van de beslissing is welke materialen u verwacht dat uw apparatuur zal printen. Een machine die keramiek kan printen zal aanzienlijk verschillen van een machine die alleen bedoeld is voor metalen. 
2. Bouwvolume: Een andere belangrijke overweging is het grootste onderdeel dat u verwacht te vervaardigen. Dit bepaalt het totale bouwvolume van uw DED-apparatuur. 
3. Precisie: Afhankelijk van het type componenten en de nabewerking die u plant, moet u mogelijk apparatuur kiezen op basis van de nauwkeurigheid ervan. Mogelijk wordt u gedwongen de afweging te maken tussen een grotere, snellere machine en een machine met betere precisie. 

Hoe verhoudt DED zich tot traditionele productiemethoden?

DED is in staat een component veel dichter bij zijn uiteindelijke vorm (bijna nettovorm) te bouwen dan de meeste standaard productieopties. Er wordt dus veel minder materiaal gebruikt om het eindproduct te bereiken. Traditionele productiemethoden vereisen een blok bronmateriaal dat vervolgens wordt gesneden met behulp van subtractieve productiemethoden. Ze verwijderen materiaal om tot het laatste onderdeel te komen. Bij het verwijderen van materiaal ontstaat er veel materiaalafval in de vorm van stekken en spaanders. Daarom is DED efficiënter dan traditionele methoden in termen van materiaalgebruik.

DED-processen kunnen ook complexere onderdelen genereren dankzij de meerassige beweging van de printkop en de aard van het geleidelijk opbouwen van een component, laag voor laag. Traditioneel vervaardigde artikelen zijn qua geometrie beperkter. Normaal gesproken moeten complexe onderdelen worden gebouwd als een reeks kleinere onderdelen die achteraf worden geassembleerd. 

Wat zijn de milieuproblemen met DED-technologie?

De milieueffecten van additive manufacturing als geheel worden nog onderzocht. Het meest voorkomende milieuprobleem bij additieve productietechnologieën, inclusief DED, is hun hoge energievraag. De keuze voor het meest efficiënte productieproces (tussen typische, subtractieve methoden en nieuwere additieve processen) hangt af van de complexiteit en het volume van de te vervaardigen onderdelen.

Wat zijn de soorten DED?

Er zijn momenteel drie verschillende varianten van DED-technologie. Ze zijn gecategoriseerd op basis van de energiebron die wordt gebruikt om het voedermiddel te smelten:

1. DED op plasma- of elektrische boogbasis

Er ontstaat een elektrische boog tussen de printkop en het werkstuk. Wire arc additive manufacturing (WAAM) is een van de belangrijkste booggebaseerde methoden. 

2. Lasergebaseerde DED

In deze variant wordt een optische laser als energiebron gebruikt, ook wel laser engineering net shaping (LENS) genoemd. Netvormige productie betekent dat het origineel vervaardigde onderdeel zeer dicht bij de voltooide (netto) afmetingen ligt. Met LENS moet de materiaalafzetting plaatsvinden in een inerte omgeving om oxidatie te voorkomen. Dit betekent ofwel dat de productiekamer volledig moet worden gespoeld met inert gas, ofwel dat er voortdurend een toevoer van beschermgas als een mantel rond het afzettingspunt moet stromen.

3. Op elektronenbundels gebaseerde DED

Een elektronenbundel wordt gebruikt om de energie te leveren om de voeding te smelten in de aanpak die bekend staat als elektronenbundel-additive manufacturing (EBAM). Dit DED-proces moet in een vacuüm plaatsvinden om te voorkomen dat de elektronen in wisselwerking treden met luchtmoleculen.

Wat zijn DED-soorten voer?

Elk DED-apparaat levert materiaal aan het oppervlak van het onderdeel met behulp van een van de volgende twee invoermethoden: 

1. DED op poederbasis

Bij een poedertoevoer bevat het mondstuk dat de energiebron levert ook concentrisch daaromheen opgestelde materiaaltoevoermondstukken die poeder naar het depositiepunt leiden. Er wordt een inerte gasstroom gebruikt om het poeder af te leveren, en het inerte gas werkt verder om oxidatie of andere chemische reacties tussen de gesmolten materialen en de omgeving te remmen. 

2. Draadgebaseerde DED

Draadgebaseerde DED is vergelijkbaar met lassen doordat het voedingsmateriaal wordt geleverd als draadfilament. Deze draad wordt onder een hoek van naast de energiebron aangevoerd en met een constante snelheid, bepaald door de afzettingssnelheid.