雖然AM被稱為第四次工業(yè)革命，但它在大型零件制造領域還有很長的路要走。在所有金屬AM技術中，定向能量沉積 （DED）技術更容易擴展，因此DED非常適合制造大型零件，但DED技術的采用進度比其他3d打印技術例如粉末床融合 （PBF）、材料噴射 （MJ） 或熔融沉積建模 （FDM）慢得多?，F(xiàn)在，這種情況正在悄然發(fā)生改變，因為航空航天和國防工業(yè)在探索和采用大幅面金屬打印方面處于領先地位。

2023年1月，南極熊獲悉，領先的DED技術和服務提供商DM3D利用直接金屬沉積技術，為NASA開發(fā)大型發(fā)動機襯套零件，工期縮短2到10倍。

DED技術已經發(fā)展了很長的時間。Baker在1935年申請的“裝飾品制作方法”專利是第一個使用定向能量技術的已知專利，雖然該過程不是數(shù)字驅動的，但它的制造核心仍是分層方法。如今的DED技術更加復雜，并且完全由數(shù)字制造方法驅動，但此技術在大型零件制造中的應用仍然存在一一些限制。提高構建速度、一致的構建過程、實時過程監(jiān)控、應力和變形解決策略是實現(xiàn)生產大型金屬AM部件制造的基本要求，也是目前DED技術發(fā)展中需要解決的問題。

△圖 1. 使用 DMD 技術打印的復雜幾何圖形。（a） 空心彎頭，（b） 半球，（c） 火箭發(fā)動機噴嘴（由 NASA MSFC 提供）和 （d） 渦輪發(fā)動機部件。

領先的DED技術和服務提供商DM3D Technology LLC肩負著大型金屬零件增材制造的使命。下面南極熊將介紹DM3D Technology LLC以及其突出成果。DM3D專有的直接金屬沉積 （DMDa） 是 DED 技術之一，它使用高功率激光作為熱源，金屬粉末/線材作為原料，直接從 CAD 數(shù)據(jù)逐層 3D 打印金屬零件（圖 1）。該流程首先確定要制造的部件，分析其制造技術和商業(yè)挑戰(zhàn)，并針對這些挑戰(zhàn)制定綜合解決方案，以最大限度地提高制造成功率。在過去的五年里，DM3D團隊一直在與客戶和供應商合作，取得了多項成果。

△圖 2. DMD 多噴嘴系統(tǒng)。左上圖顯示了用于快速 3D 沉積的雙噴嘴技術。

與任何產品開發(fā)一樣，DMD打印技術也追求高速度、高質量。DED過程通過使用高能量輸入和大光束尺寸已經達到了這個目標，但會降低制造復雜特征的能力和工藝分辨率，同時在零件中引入非常大的變形。為了克服這一挑戰(zhàn)，DM3D的團隊采取了不同的方法，設計、制造并調試了新一代多噴嘴 DMD 系統(tǒng)（圖 2）。這種多噴嘴 DMD 系統(tǒng)的特點是：

●具有直徑 10 英尺、高度 10 英尺的圍護結構

●使用兩個同時操作的加工頭使產量翻倍，并能夠再添加兩個加工頭

●獲得專利的閉環(huán)反饋控制可確保工藝穩(wěn)定性和構建質量

●熔池局部屏蔽同軸噴嘴，提供優(yōu)質材料

●帶有可傾斜加工頭 （±45°） 的大型旋轉臺允許打印懸垂結構

●大容量高進給率預熱粉斗

△圖 3. 顯示零件徑向變形的仿真（由 NASA ARC 團隊提供）。

△圖 4.DMD 制造的全尺寸 RS-25 噴嘴襯里。

△圖 5. 疊加在零件 CAD 上的 3D 掃描數(shù)據(jù)。

使大型零件打印過程成熟的下一個關鍵步驟是待制造零件的選擇和構建過程的優(yōu)化。DMD與NASA合作，將 RS-25 發(fā)動機噴嘴襯套（底部直徑為 97 英寸，高度為 111 英寸）作為候選部件。

●構建方法從基于實驗設計 （DOE） 的工藝配方優(yōu)化開始。

●使用 ANSYS 軟件對構建過程進行熱、應力和變形模擬（圖 3）

●對打印幾何形狀的變形進行補償。

●成功的構建過程（圖 4）

●最后是構建完成后的結構光幾何檢查（來自 Hexagon）掃描（圖 5）。

用 AM 代替 RS-25 發(fā)動機襯套的傳統(tǒng)制造方法可以將工期縮短2到10倍，并顯著節(jié)省成本（高達 50%）。NASA MSFC 的首席工程師和世界知名的 AM 專家 Paul Gradl 指出：“NASA 已經與工業(yè)界和學術界建立了合作伙伴關系，以推進新方法的開發(fā)、工藝構建、新型合金的開發(fā)和使用增材制造的組件演示，目標是提高技術準備水平，以便在未來的NASA任務和商業(yè)中進行應用。 “

DM3D希望這次打印大型火箭發(fā)動機部件的成功演示將為大型金屬增材制造打開大門，并直接造福于快速發(fā)展的商業(yè)航天工業(yè)。DMD技術以其快速的制造速度和較高的新設計能力，將成為當前和未來設計與制造工程師的完美工具，并加速創(chuàng)新，為社會發(fā)展帶來更大的利益。

審核編輯 ：李倩