文/Abdalla R. Nassar

圖1：賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實驗室的高價值Ti-6Al-4V軸的修復(fù)。

定向能沉積（DED）可能是聚變增材制造的最古老的例子了。早在1925年，使用電弧制造3D物體的概念就獲得了西屋電器公司的專利。自1925年以來，情況已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展——但從原理上看，今天的DED系統(tǒng)與這個早期概念相距并不遠。

現(xiàn)代激光DED系統(tǒng)配備了可靠的激光源、精密的運動系統(tǒng)和強大的計算能力。這些系統(tǒng)與CAD、工藝規(guī)劃和運動控制軟件相結(jié)合，可用于廣泛的應(yīng)用，包括零件生產(chǎn)、特征增加、維修和表面涂層。

激光DED工藝和系統(tǒng)

激光DED（L-DED）系統(tǒng)包括三個主要部分：

（1）激光束：其輸送能量以在基底上形成熔池。

（2）原料輸送系統(tǒng)，其向熔池中吹入粉末或注入金屬絲。

（3）運動系統(tǒng)，其使激光束和原料相對于襯底移動。

十年前，大多數(shù)L-DED系統(tǒng)采用CO2或Nd:YAG激光系統(tǒng)。如今，幾乎所有商用L-DED系統(tǒng)都采用光纖傳輸激光器，其中以摻鐿光纖激光器最為常見。這些系統(tǒng)大多數(shù)在200~1500W的激光功率范圍內(nèi)工作，盡管也又功率更強大（約10kW）的商用系統(tǒng)出現(xiàn)。雖然光纖激光器在L-DED系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是也有系統(tǒng)采用Nd:YAG碟片激光器或半導(dǎo)體激光器。

金屬粉末或金屬絲都可以用作原料。在這兩種情況下，向熔體中引入原料并非易事。幾克/分鐘的低沉積速率，對于中低功率系統(tǒng)來說比較常見；而千瓦級激光系統(tǒng)每分鐘可以向熔體中進給幾十克材料。廣泛的沉積頭（例如，同軸或多噴嘴）可用于粉末輸送�，F(xiàn)成的沉積頭可用于集成到自定義配置中；在大多數(shù)情況下，L-DED系統(tǒng)制造商采用他們自己的沉積頭設(shè)計。

為了獲得緊湊的幾何形狀，用于修復(fù)應(yīng)用的系統(tǒng)通常配備緊湊的沉積頭，該沉積頭相對于下面的基板具有角度陡峭的噴嘴。其他系統(tǒng)采用非常小角度傾斜的噴嘴，以實現(xiàn)懸伸物的沉積。還有一些人更關(guān)心的是最小化流動的粉末流的腰部——將粉末的腰部焦點保持在激光束光斑大小的量級，從而最大限度地提高粉末的效率。坦率的評估是，沉積頭設(shè)計缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，最終用戶只能猜測什么最適合他們的特定應(yīng)用需求。

與粉末輸送一樣，也有幾種金屬絲輸送方式。最常見的情況是，通過標(biāo)準(zhǔn)金屬絲進給器和噴嘴將金屬絲以平緩角度插入熔池的前部。這種方法需要協(xié)調(diào)金屬絲相對于基板平移方向的位置。金屬絲必須始終插入熔體前部附近；否則，操作者有將金屬絲凍結(jié)在熔體的后部凝固區(qū)域的風(fēng)險。也有一些系統(tǒng)與激光束同軸的方式送絲。例如，德國Fraunhofer材料與光束技術(shù)研究所提供了一種沉積頭，該沉積頭將激光束分束并引導(dǎo)到同軸輸送的金屬絲周圍。通過實現(xiàn)定向沉積，同軸送絲系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)送絲L-DED的主要限制。

還有許多種類的運動系統(tǒng)用于L-DED。最簡單的機器采用三軸線性平臺系統(tǒng)，其中基板或沉積頭相對于彼此移動。在過去的幾年中，四軸和五軸系統(tǒng)的數(shù)量有所增加，這些系統(tǒng)能夠使基板或沉積頭旋轉(zhuǎn)和/或傾斜。四軸系統(tǒng)特別適用于軸、管和其他圓柱形部件的修復(fù)，例如在改進的Optomec LENS系統(tǒng)上進行的高價值Ti-6Al-4V軸的修復(fù)（見圖1）。

除了基板的傾斜和旋轉(zhuǎn)之外，采用6軸或更多軸的機械臂的使用，也越來越受歡迎。這種系統(tǒng)在零件復(fù)雜性和尺寸方面實現(xiàn)了最大的自由度，但仍無法與傳統(tǒng)平臺系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精度相匹配。

現(xiàn)有及新興應(yīng)用

一般來說，L-DED系統(tǒng)分為兩大類：用于快速、大面積增材制造的多千瓦級系統(tǒng)；以及用于精密維修和功能添加的低功率系統(tǒng)。在過去的幾年中，將L-DED與現(xiàn)場數(shù)控加工相結(jié)合的混合增材制造系統(tǒng)，試圖將大面積增材制造與精密加工或粗加工相結(jié)合。

到目前為止，L-DED最常見的應(yīng)用是用于高價值部件的維修。在許多情況下，維修成本比零件更換成本低幾個數(shù)量級。以鎳合金渦輪葉片的維修為例，維修通常需要在機加工表面上添加幾層，然后進行后處理。幾英寸寬的刀片可能需要幾十分鐘才能修復(fù)；在這段時間里，消耗了幾十克粉末，粉末和勞動力的總成本可能在每把刀片幾十到幾百美元的數(shù)量級——這遠低于一把新刀片的成本。對于這樣的應(yīng)用，可以采用具有緊湊的粉末進給頭和四軸或五軸運動系統(tǒng)的幾百瓦激光系統(tǒng)。圖2顯示了未經(jīng)精加工的L-DED修復(fù)的鉻鎳鐵合金葉片。

圖2：L-DED修復(fù)的鉻鎳鐵合金渦輪機葉片，并未進行最后的精細加工。

特征添加，其中基底成為最終產(chǎn)品的一部分，這是另一種有前景的L-DED應(yīng)用。一種常見的使用情況是在傳統(tǒng)鍛件或鑄件上添加擠壓特征，并且不需要后處理表面精加工。在簡單的幾何形狀上添加擠壓特征，可以顯著減少與全機加工或鑄造相關(guān)的材料和能量消耗。

圖3：L-DED用于制造三維幾何形狀的葉片。

激光DED系統(tǒng)也可用于制造全三維部件（見圖3、圖4）。從歷史上看，使用L-DED生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的能力一直是有限的——然而，目前可用的5+軸系統(tǒng)提供了構(gòu)建復(fù)雜獨立結(jié)構(gòu)的靈活性。表面粗糙度（通常在Ra≈100µm的數(shù)量級）仍然是某些應(yīng)用的限制因素。配備5+軸運動的混合L-DED系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的L-DED，還可以原位加工零件。這使得能夠在同一層內(nèi)進行沉積和機加工。雖然在某些情況下，由于零件在組裝和機加工過程中的變形，在現(xiàn)場對零件進行精加工并不容易或者不可能，但可以在幾十微米的公差范圍內(nèi)對復(fù)雜的幾何形狀進行粗加工。

圖4：使用混合系統(tǒng)精加工葉片幾何形狀。

一個新興的研究領(lǐng)域是新型合金和功能梯度材料的L-DED。由于L-DED系統(tǒng)（特別是那些配備了多個粉末供料器的系統(tǒng)）能夠定制合金或元素粉末的混合，研究人員現(xiàn)在能夠選擇零件內(nèi)的材料成分。這使得能夠添加制造具有復(fù)合材料或分級合金的結(jié)構(gòu)。例如，分級硬度，從構(gòu)件核心的較軟材料到表面的較硬材料，在不影響內(nèi)部延展性的情況下，提供了持久表面的潛力。圖5是用這種分級方法制造的一個葉片。

圖5：用分級方法制造的葉片。

展望

盡管L-DED是最古老的增材制造技術(shù)之一，但它仍然在實用性方面不斷增長。今天的系統(tǒng)提供了許多配置選項，包括激光類型、激光功率、給料類型、運動控制和原位加工的可用性。這實現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，包括零件維修、功能添加和獨立結(jié)構(gòu)的完全沉積。