Direct Energy Deposition (DED):Prozess, Vorteile und Einschränkungen

Direct Energy Deposition (DED), auch gerichtete Energiedeposition genannt, ist ein besonderer Ansatz der additiven Fertigung (3D-Druck). Es richtet eine Energiequelle auf eine Stelle des Ausgangsmaterials, um eine kleine Menge Schmelze zu erzeugen, und fügt dieser Schmelze dann Zufuhrmaterial hinzu, um neues Material auf das Bauteil aufzutragen. Einzelheiten zu den verfügbaren DED-Energiequellen, verschiedenen Zufuhrsystemen sowie Vor- und Nachteilen werden im Folgenden erläutert.

Was ist Direct Energy Deposition (DED)?

Direkte (oder gerichtete) Energiedeposition (DED) ist eine Methode der additiven Fertigung (3D-Druck). Eine Energiequelle wird auf einen Punkt gerichtet und das Zufuhrmaterial wird an derselben Stelle zugeführt, sodass es auf dem Werkstück aufgetragen werden kann. Es weist einige Ähnlichkeiten mit dem Roboterschweißen auf, bei dem ein Metalldraht auf die Hauptkomponente geschmolzen (abgelagert) wird. DED-Geräte können Elektronenstrahlen, Laser oder Lichtbögen verwenden, um das Schmelzbad zu bilden. Neues Material kann in Form von Drahtfilamenten oder Pulver vorliegen.

Wie funktioniert Direct Energy Deposition (DED)?

Bei der direkten Energieabscheidung wird ein bestimmter Bereich des hergestellten Bauteils auf Schmelztemperatur erhitzt und anschließend Zufuhrmaterial hinzugefügt. Der Druckkopf bewegt sich entlang des Baupfads und die Schmelze verfestigt sich dann, während das Zufuhrmaterial auf dem Hauptkörper aufgetragen wird. 

Die gerichtete Energiequelle (entweder ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen) sitzt in der Mitte eines Druckkopfes, daneben befindet sich das Zufuhrmaterial. Das Zufuhrmaterial kann in Form eines Drahtfadens oder eines Pulvers zugeführt werden. Das Filament wird schräg zugeführt, so dass es im Brennpunkt der Energiequelle schmilzt. Pulver hingegen wird durch ein Inertgas durch konzentrisch um die Energiequelle angeordnete Düsen transportiert und auf den Schmelzpunkt gerichtet.

Der Druckkopf verfügt über mehrere Bewegungsebenen. Es kann entweder an einem mehrachsigen CNC-Kopf oder einem Gelenkroboterarm montiert werden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu Arten der additiven Fertigung.

Was sind die Vorteile der Verwendung der DED-Technologie?

Der Einsatz der DED-Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen:

1. Relativ große Bauvolumina: Da der Druckkopf einer DED-Maschine normalerweise auf einem mehrachsigen CNC-Kopf oder einem Gelenkarm montiert ist, kann er im Vergleich zu anderen 3D-Druckmethoden (insbesondere solchen, die mit Metall arbeiten) eine relativ große Fläche abdecken. Die Drucke können mehr als einen Kubikmeter betragen. 
2. Mehrere Materialien: Viele Futtermittel sind mit der DED-Herstellung kompatibel. Sie können entweder über eine Pulvermischung oder über mehrere Filamentzuführungen eingebracht werden. Tatsächlich kann die Materialzusammensetzung während des Baus geändert werden.
3. Weniger Materialabfall: Im Vergleich zur Pulverbettschmelzung muss weniger überschüssiges Zufuhrmaterial aufgetragen werden, um den Druck abzuschließen.
4. Kontrolle der Kornstruktur: DED ermöglicht eine gewisse Kontrolle der Kornstruktur des abgeschiedenen Materials. Durch Anpassen der Geschwindigkeit des Druckkopfs können Sie die Abkühlzeit steuern.
5. Kann zur Reparatur verwendet werden: DED beschränkt sich nicht wie die meisten 3D-Druckverfahren auf die Erstellung neuer Teile von Grund auf. Die Maschinen können Material auch direkt auf ein bestehendes Teil auftragen. Dies bedeutet, dass DED zur Reparatur beschädigter oder verschlissener Komponenten verwendet werden kann.

Was sind die Nachteile der Verwendung der DED-Technologie?

KCS ist nicht für jeden Fall die ideale Lösung, da die Technologie einige Nachteile hat:

1. Niedrige Auflösung: Im Allgemeinen ist die DED-Technologie nur in der Lage, Features mit einer geringen Detailauflösung zu erstellen. Dies ist eine Funktion der Dicke des Vorschubdrahtes und der Größe des Schmelzbades. Die Auflösung hängt auch von der Druckgeschwindigkeit ab – schnelleres Drucken führt zu einer geringeren Auflösung.
2. Hohe Kapitalkosten: DED-Geräte sind teuer. Die meisten benötigen komplexe Systeme wie eine hermetisch abgeschlossene Druckkammer, ein Vakuum- oder Inertgassystem, einen Pulverraum für Systeme mit Pulverzufuhr usw. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, wurden noch nicht viele kostensenkende Verbesserungen vorgenommen. 
3. Nachbearbeitung: Mit der DED-Technologie hergestellte Teile erfordern in der Regel eine Nachbearbeitung, um schöne Oberflächen zu erzielen. Dies geschieht normalerweise in Form einer leichten Bearbeitung und Polierung, um überschüssige Ablagerungen zu entfernen und eine glatte, gleichmäßige Oberfläche zu schaffen.

Welche Materialien können mit DED verwendet werden?

DED ist in der Lage, mit verschiedenen Materialien zu drucken. Die meisten Materialien, die bei DED-Technologien verwendet werden, sind Metalle wie Titan und Titanlegierungen, Inconel®, Tantal, Wolfram und einige Edelstahlsorten.

Bestimmte Nichtmetalle funktionieren auch auf DED-Maschinen – es kann eine Art Kohlefaser gedruckt werden, bei der ein Kohlefaden in ein thermoplastisches Polymer eingelegt wird. Aluminiumoxid- und Zirkonoxidkeramik eignet sich auch gut für DED.

Was sind Beispielanwendungen von KCS?

Durch die additive Fertigung mit Metallen und anderen Materialien ist DED für viele Anwendungen geeignet, von denen einige für andere 3D-Druckmethoden keine Option sind: 

1. Vorhandene Teile reparieren: Der Hauptzweck der DED-Technologie ist die Reparatur von Metallteilen. Mit der Methode kann neues Material auf komplexen Oberflächen abgeschieden werden. Durch Anpassungen der Geschwindigkeit und der Energiequelle ist es außerdem möglich, die Kornstruktur des aufgetragenen Materials so zu steuern, dass sie der des Originalteils entspricht. DED wird daher zur Reparatur teurer Komponenten wie Turbinenschaufeln eingesetzt.
2. Near Net Shape: DED kann Teile herstellen, die ihren geplanten Abmessungen sehr nahe kommen. Dies ist sehr wertvoll bei der Herstellung exotischer und teurer Materialien oder Materialien, die sehr schwer zu schneiden und zu bearbeiten sind.
3. Verbund- oder Hybridteile: DED bietet Ihnen die Möglichkeit, mit verschiedenen Materialien gleichzeitig zu drucken. In das gedruckte Objekt kann eine Mischung aus kompatiblen Materialien eingearbeitet werden, und ihre Zusammensetzung kann sogar während des gesamten Drucks variieren.

Welche Faktoren beeinflussen die Qualität von DED-Teilen?

Die Druckqualität von DED ist entscheidend für die Nützlichkeit der fertigen Produkte. Folgende Faktoren haben Einfluss auf die Qualität:

1. Porosität: Porosität im abgelagerten Material führt zu Schwachstellen – die Poren sind im Wesentlichen innere Defekte. Die Porosität sollte minimiert werden, indem die Pulverzufuhr getrocknet wird, um Feuchtigkeit fernzuhalten, und indem Schutzgas ordnungsgemäß verwendet wird.
2. Scangeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, mit der sich der Kopf entlang des Baupfads bewegt, beeinflusst die Größe des Schmelzbads, die Abkühlgeschwindigkeit und damit die Kornstruktur. Zusammengenommen wirkt sich alles auf die Qualität des Teils aus. Die optimale Geschwindigkeit hängt vom verwendeten Material und der gewünschten Kornstruktur ab.
3. Leistung: Die von der Energiequelle bereitgestellte Leistung wirkt sich direkt auf die Schmelze aus und hängt von der Scangeschwindigkeit ab. Die Energieübertragung auf die Komponente muss ausreichend sein, um das Wirtsmaterial ordnungsgemäß zu schmelzen, selbst wenn sich der DED-Druckkopf entlang des Baupfads bewegt. Wenn die Leistung nicht ausreicht, ist die Druckqualität nicht auf dem neuesten Stand. 

Was sind einige häufige Herausforderungen bei der Implementierung der DED-Technologie?

Die DED-Technologie ist komplex und schwierig zu implementieren. 

1. Hohe Kapitalkosten: Eines der größten Hindernisse bei der Implementierung der DED-Technologie ist die große Anfangsinvestition, die für deren Einrichtung erforderlich ist. 
2. Mangel an qualifizierten Technikern: Für den effizienten und genauen Betrieb des DED-Systems sind qualifizierte und erfahrene Bediener erforderlich. Da dies ein wachsender Bereich ist, ist es schwierig, qualifizierte Techniker zu finden. Sie können sich dafür entscheiden, Ihr Personal intern zu schulen, anstatt neue Leute einzustellen, aber das ist weder schnell noch kostengünstig. 
3. Neuer Designansatz: Beim Entwerfen von Komponenten, die mithilfe der DED-Technologie hergestellt werden sollen, müssen Sie immer berücksichtigen, wie sich der Druckkopf bewegt. Wenn sie nicht von Anfang an darauf ausgelegt sind, müssen viele Teile neu konstruiert werden, bevor sie mit DED hergestellt werden können. Dieser Prozess erhöht jedes Mal Aufwand und Arbeitsstunden.
4. Fehlen von Standards: Die additive Fertigung ist im Allgemeinen noch eine relativ neue Technologie und jedes Jahr werden neue technologische Ansätze entwickelt. Es gibt wenig Standardisierung im digitalen Informationsmanagement, Design oder Herstellungsprozessen für diese Systeme.

Was sollten Sie bei der Auswahl von DED-Geräten beachten?

Die Entscheidung, welches DED-Gerät gekauft werden soll, erfordert eine Menge Recherche und Überlegung. Bei der Auswahl der DED-Ausrüstung müssen einige wichtige Aspekte untersucht werden:

1. Materialkompatibilität: Der wichtigste Teil der Entscheidung ist, welche Materialien Ihre Ausrüstung drucken soll. Eine Maschine, die Keramik drucken kann, wird sich deutlich von einer Maschine unterscheiden, die nur für Metalle gedacht ist. 
2. Build-Volumen: Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die größte Komponente, die Sie voraussichtlich herstellen werden. Dies bestimmt das Gesamtbauvolumen Ihrer DED-Ausrüstung. 
3. Präzision: Abhängig von der Art der Komponenten und der Nachbearbeitung, die Sie planen, müssen Sie die Ausrüstung möglicherweise nach ihrer Präzision auswählen. Möglicherweise müssen Sie den Kompromiss zwischen einer größeren, schnelleren Maschine und einer mit höherer Präzision abwägen. 

Wie schneidet DED im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden ab?

DED ist in der Lage, eine Komponente viel näher an ihrer endgültigen Form (nahe der Nettoform) zu bauen als die meisten Standardfertigungsoptionen. Dadurch wird deutlich weniger Material benötigt, um das fertige Produkt zu erhalten. Traditionelle Herstellungsmethoden erfordern einen Block Ausgangsmaterial, der dann mithilfe subtraktiver Herstellungsmethoden geschnitzt wird. Sie entfernen Material, um zum endgültigen Teil zu gelangen. Bei diesem Materialabtrag entsteht viel Materialabfall in Form von Spänen und Spänen. Daher ist DED im Hinblick auf den Materialverbrauch effizienter als herkömmliche Methoden.

Dank der mehrachsigen Bewegung des Druckkopfs und der Art und Weise, wie ein Bauteil schrittweise und Schicht für Schicht aufgebaut wird, können DED-Prozesse auch komplexere Teile erzeugen. Herkömmlich hergestellte Artikel sind hinsichtlich der Geometrie eingeschränkter. Normalerweise müssen komplexe Teile als eine Reihe kleinerer Teile gebaut werden, die anschließend zusammengebaut werden. 

Welche Umweltbedenken gibt es bei der DED-Technologie?

Die Umweltauswirkungen der additiven Fertigung insgesamt werden noch untersucht. Das häufigste Umweltproblem bei additiven Fertigungstechnologien, einschließlich DED, ist ihr hoher Energiebedarf. Die Wahl des effizientesten Herstellungsverfahrens (zwischen typischen, subtraktiven Verfahren und neueren additiven Verfahren) hängt von der Komplexität und dem Volumen der herzustellenden Teile ab.

Welche Arten von Trockenem Auge gibt es?

Derzeit gibt es drei verschiedene Varianten der DED-Technologie. Sie werden nach der Energiequelle kategorisiert, die zum Schmelzen des Ausgangsmaterials verwendet wird:

1. Plasma- oder Lichtbogen-basierter DED

Zwischen dem Druckkopf und dem Werkstück entsteht ein Lichtbogen. Die additive Fertigung mit Drahtlichtbogen (WAAM) ist eine der wichtigsten lichtbogenbasierten Methoden. 

2. Laserbasierter DED

Als Energiequelle kommt bei dieser Variante, auch Laser Engineering Net Shaping (LENS) genannt, ein optischer Laser zum Einsatz. Net-Shape-Fertigung bedeutet, dass das ursprünglich hergestellte Teil den fertigen (Netto-)Abmessungen sehr nahe kommt. Bei LENS muss die Materialabscheidung in einer inerten Umgebung erfolgen, um eine Oxidation zu verhindern. Dies bedeutet entweder, dass die Produktionskammer vollständig mit Inertgas gespült werden muss oder dass eine Schutzgaszufuhr ständig als Hülle um den Ablagerungspunkt strömen muss.

3. Elektronenstrahlbasiertes DED

Bei dem als Elektronenstrahl-Additive Fertigung (EBAM) bekannten Ansatz wird ein Elektronenstrahl verwendet, um die Energie zum Schmelzen des Ausgangsmaterials bereitzustellen. Dieser DED-Prozess muss im Vakuum stattfinden, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Luftmolekülen interagieren.

Was sind DED-Futterarten?

Jedes DED-Gerät liefert Material mit einer von zwei Zufuhrmethoden an die Oberfläche des Teils: 

1. Pulverbasiertes DED

Bei einer Pulverzuführung enthält die Düse, die die Energiequelle bereitstellt, auch konzentrisch um sie herum angeordnete Materialzuführungsdüsen, die das Pulver zum Ablagerungspunkt leiten. Zur Förderung des Pulvers wird ein Inertgasstrom verwendet, der außerdem die Oxidation oder andere chemische Reaktionen zwischen den geschmolzenen Materialien und der Umgebung hemmt. 

2. Kabelbasiertes DED

Drahtbasiertes DED ähnelt dem Schweißen darin, dass das Zufuhrmaterial in Form eines Drahtfilaments bereitgestellt wird. Dieser Draht wird in einem Winkel neben der Energiequelle und mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt, die von der Abscheidungsgeschwindigkeit abhängt.