Metall-3D-Druck:Was ist direkte Energieabscheidung?

Direkte Energiedeposition (DED) ist eine Reihe von mehreren ähnlichen Metall-3D-Drucktechnologien, die Teile durch Schmelzen und Verschmelzen von Material während der Abscheidung erzeugen. Während es zur Herstellung neuer Teile verwendet werden kann, wird DED normalerweise zur Reparatur und Wiederherstellung beschädigter Komponenten verwendet. Als eine der wichtigsten Metall-3D-Drucktechnologien wird DED bereits in Schlüsselindustrien wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Öl und Gas sowie in der Schifffahrtsindustrie eingesetzt. Im heutigen Tutorial werden wir den DED-Prozess, seine Vorteile und Einschränkungen sowie bestehende Anwendungsfälle untersuchen.

Wie funktioniert DED?

Direct Energy Deposition hat manchmal verschiedene Namen, darunter 3D-Laserauftragschweißen und gerichtete Lichtherstellung. Darüber hinaus werden bestimmte proprietäre Technologien, die dem DED nachempfunden sind, manchmal austauschbar verwendet:Elektronenstrahl-Additive Fertigung (Sciaky), Laser Engineered Net Shaping (Optomec), Rapid Plasma Deposition (Norsk Titanium) oder Wire Arc Additive Manufacturing. Obwohl jeder Prozess etwas anders funktioniert, ist das Prinzip dahinter dasselbe.

Beim DED-Verfahren wird das Ausgangsmaterial, das entweder als Metallpulver oder als Draht vorliegt, durch eine Zuführdüse geschoben, wo es von einer fokussierten Wärmequelle (meist Laser, aber auch auch ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen sein) und sukzessive auf der Bauplattform hinzugefügt. Sowohl die Wärmequelle als auch die Zufuhrdüse sind an einem Portalsystem oder Roboterarm montiert. Der Prozess findet typischerweise in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer statt, die mit Inertgas gefüllt ist, um die Materialeigenschaften besser zu kontrollieren und das Material vor unerwünschter Oxidation zu schützen.

Sehen Sie sich die Technologie in Aktion an:

Materialien

DED unterstützt eine breite Palette von Metallen, darunter:

• Titanlegierungen
• Edelstahl
• Maraging-Stähle
• Werkzeugstähle
• Aluminiumlegierungen
• Feuerfeste Metalle (Tantal, Wolfram, Niob)
• Superlegierungen (Inconel, Hastelloy)
• Nickel-Kupfer
• Andere Spezialmaterialien, Verbundwerkstoffe und funktionell abgestufte Materialien

Bemerkenswert ist, dass die in DED verwendeten Materialien deutlich billiger sind als Metallpulver, die in der Pulverbettmetall-AM verwendet werden.

Direkte Energiedeposition:Vor- und Nachteile

DED-Technologie ist seit einigen Jahren im Einsatz und bietet eine Reihe von Vorteilen:

• Ideal für die Reparatur von Teilen:Die Möglichkeit, die Kornstruktur eines Teils zu kontrollieren, macht DED zu einer guten Lösung für die Reparatur von funktionalen Metallteilen.

• Größere 3D-gedruckte Teile :Im Gegensatz zu Pulverbett-Metall-AM-Prozessen, die typischerweise kleinere, hochauflösende Komponenten produzieren, können einige proprietäre DED-Verfahren größere Metallteile herstellen – zum Beispiel die von Sciaky entwickelte Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)-Technologie Teile mit einer Länge von mehr als 6 Metern herstellen können.

• Hohe Druckgeschwindigkeit :Typischerweise haben DED-Maschinen hohe Materialauftragsraten. Einige DED-Prozesse können beispielsweise eine Geschwindigkeit von bis zu 11 kg Metall pro Stunde erreichen.

• Weniger Materialabfall :Da bei SLM- und DMLS-Prozessen Pulver auf der Bauplattform verteilt und dann selektiv miteinander verschmolzen wird, kann oft viel ungeschmolzenes Pulver zurückbleiben, das wiederverwendet werden muss. Bei Verträgen wird beim DED nur die benötigte Materialmenge hinterlegt. Da kein Abfallpulver zu recyceln ist, führt dies zu einer effizienten Materialnutzung und Kosteneinsparungen.

• Multimaterialfunktionen :Mit DED können Pulver oder Drähte während des Bauprozesses geändert oder gemischt werden, um kundenspezifische Legierungen zu erstellen. Die Technologie kann auch verwendet werden, um einen Gradienten zwischen zwei verschiedenen Materialien innerhalb desselben Aufbaus zu erzeugen, um stärkere Materialeigenschaften für ein Teil zu erzielen.

• Hochwertige Metallteile :DED produziert hochdichte Teile mit mechanischen Eigenschaften, die gleich gut oder besser sind als die vergleichbarer Guss- oder Knetmaterialien. Mit DED hergestellte Teile können auch endkonturnahe Formen erreichen, was bedeutet, dass sie nur wenig nachbearbeitet werden müssen.

• Hybrid-Fertigungsmöglichkeiten :DED ist eine der wenigen Metall-3D-Drucktechnologien, die sich für die Integration in Bearbeitungszentren eignet, um eine hybride Fertigungslösung zu schaffen. Durch die Montage einer Auftragsdüse an einem mehrachsigen Bearbeitungssystem können hochkomplexe Metallteile schneller und flexibler hergestellt werden.

Welche Einschränkungen gibt es beim DED?

Zu den Einschränkungen von DED gehören:

• Niedrige Auflösung: Mit Direct Energy Deposition hergestellte Teile haben in der Regel eine niedrige Auflösung und eine schlechte Oberflächengüte, wodurch eine Nachbearbeitung erforderlich ist, die den Gesamtprozess zeit- und kostenaufwändiger macht.

• Keine Stützstrukturen: DED eignet sich nicht zum Erstellen von Stützstrukturen, was die Herstellung von Teilen mit bestimmten Geometrien, beispielsweise Überhängen, einschränkt.

• Kosten: DED-Systeme sind in der Regel sehr teuer, mit Kosten von über 500.000 US-Dollar.

Direkte Energiedeposition:die Maschinen

In der folgenden Tabelle haben wir die wichtigsten Unternehmen, die proprietäre Technologien basierend auf dem DED-Verfahren entwickelt haben, zusammen mit den verfügbaren Maschinen und deren Bauvolumen zusammengefasst.

Hersteller Systemname Volume erstellen 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 mm LENS 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 (Hybrid) LASERTEC 65 3D735 x 650 x 560 mm

Häufige Anwendungsfälle

DED wird erfolgreich in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Öl &Gas, Verteidigung, Marine und Architektur. Luft- und Raumfahrthersteller nutzen die Technologie zunehmend zur Herstellung von Strukturteilen für Satelliten und Militärflugzeuge. Lockheed Martin Space zum Beispiel hat vor kurzem den EBAM-Prozess von Sciaky für den Bau von Titan-Kraftstofftankkuppeln für Satelliten qualifiziert. Durch den Einsatz der Technologie konnte das Unternehmen die Produktionszeit für das Bauteil um 87% reduzieren und die Vorlaufzeit von zwei Jahren auf drei Monate verkürzen.

DED kommt auch für Strukturteile für Verkehrsflugzeuge in Betracht . Ein Beispiel sind kürzlich von der FAA zugelassene Flugzeug-Titanteile für Boeing 787 Dreamliner, hergestellt von Norsk Titanium. Das norwegische Unternehmen nutzte seine proprietäre Rapid Plasma Deposition-Technologie, eine Form der DED-Technologie, die zu einer deutlichen Verbesserung des Buy-to-Fly-Verhältnisses im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren führte. Jetzt, da Titanteile in Serie gehen, erwartet Boeing, seine Produktionskosten um 2 bis 3 Millionen US-Dollar pro Flugzeug zu senken.

Neben der Herstellung von Metallteilen eignet sich die DED-Technologie hervorragend zur Reparatur beschädigter Teile. Dank der starken metallurgischen Bindung und feinen, gleichmäßigen Mikrostrukturen, die DED erzeugen kann, können Bauteile wie Turbinenschaufeln und Spritzgusswerkzeugeinsätze wiederaufbereitet werden. Durch die Reparatur verschlissener Teile, Formen oder Gesenke ermöglicht DED eine deutliche Reduzierung von Ausfallzeiten und Kosten im Zusammenhang mit dem Austausch von Teilen und verlängert gleichzeitig die Lebensdauer des Teils.

Darüber hinaus kann DED zum Modifizieren von Teilen verwendet werden. Durch die Verwendung der Technologie zum Abscheiden einer verschleißfesten Aufpanzerungsschicht kann beispielsweise die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit eines Teils verbessert werden.

Die Zukunft des DED

DED bietet zahlreiche Vorteile für Branchen, die die Herstellung oder effiziente Reparatur hochwertiger Geräte und maßgefertigter Metallteile, insbesondere größerer Abmessungen, erfordern. Für die Zukunft erwarten wir, dass sich der Anwendungsbereich der Technologie insbesondere durch den spannenden Trend der Hybridfertigung erweitern wird. Durch die Integration mit konventionellen Fertigungstechnologien könnte DED Industrien auf der Suche nach innovativen und kosteneffektiven Produktionsmöglichkeiten Fortschritte bringen.