Metall 3D-Druck: Was ist Direct Energy Deposition ?

Direct Energy Deposition (DED) bezeichnet mehrere ähnliche Metall-3D-Drucktechnologien, die Bauteile durch Schmelzen und Fusionieren von Material erzeugt. Während es zur Herstellung neuer Teile verwendet werden kann, wird DED typischerweise auch zur Reparatur und zum Wiederaufbau beschädigter Bauteile verwendet. Als eine der wichtigsten 3D-Metalldrucktechnologien wird der DED bereits in Schlüsselindustrien wie Luft- und Raumfahrt, Öl- und Gasindustrie sowie der Schifffahrtsindustrie eingesetzt. Im heutigen Tutorial werden wir den DED-Prozess, seine Vorteile und Einschränkungen sowie die bestehenden Anwendungsfälle untersuchen.

Wie funktioniert DED ?

Direct Energy Deposition (DED) wird oft mit verschiedenen Namen bezeichnet, einschließlich der 3D-Laserplattierung und Directed Light Fabrication. Darüber hinaus werden bestimmte proprietäre Technologien, die dem DED nachempfunden sind, manchmal synonym verwendet: Elektronenstrahl-Additive-Fertigung (Sciaky), Laser-Engineered-Net-Shaping (Optomec), Rapid-Plasma-Abscheidung (Norsk Titanium) oder Wire Arc Additive Manufacturing. Obwohl jeder Prozess etwas anders funktioniert, ist das Prinzip, das dahinter steht, das gleiche.

Beim DED-Verfahren wird das Ausgangsmaterial, das entweder in Metallpulver- oder Drahtform vorliegt, durch eine Zufuhrdüse gedrückt, wo es durch eine fokussierte Wärmequelle geschmolzen wird (am häufigsten ein Laser, könnte aber auch ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen sein). und nacheinander auf die Bau-Plattform hinzugefügt. Sowohl die Wärmequelle als auch die Zuführdüse sind an einem Gantry-System oder einem Roboterarm angebracht. 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.

Direct Energy Deposition in Aktion

Materialien für Direct Energy Deposition

DED unterstützt eine breite Palette von Metallen, einschließlich:

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

Bemerkenswerterweise sind die in DED verwendeten Materialien wesentlich billiger als die Metallpulver, die in Pulverbett-Maschinen verwendet werden. 

Direkte Energieabscheidung: Vor- und Nachteile

Die DED-Technologie wird bereits seit einigen Jahren eingesetzt und bietet eine Reihe von Vorteilen:

Ideal für die Reparatur von Bauteilen: Die Fähigkeit, die Kornstruktur eines Teils zu kontrollieren, macht DED zu einer guten Lösung für die Reparatur von funktionellen Metallteilen.

Größere 3D-gedruckte Teile: Im Gegensatz zu Pulvermetall-AM-Prozessen, die typischerweise kleinere, hochauflösende Bauteile erzeugen, können einige proprietäre DED-Verfahren größere Metallteile herstellen - z. B. die von Sciaky entwickelte EBAM-Technologie (Electron Beam Additive Manufacturing) , soll in der Lage sein, Teile größer als 6 Meter Länge zu produzieren.

Hohe Druckgeschwindigkeit: Typischerweise haben DED-Maschinen hohe Materialabscheidungsraten. Zum Beispiel können einige DED-Prozesse eine Geschwindigkeit von bis zu 11 kg Metall pro Stunde erreichen.

Weniger Materialabfall: Da bei SLM- und DMLS-Verfahren Pulver auf der Bauplattform verteilt und dann selektiv miteinander verschmolzen wird, kann oft viel unverschmolzenes Pulver zurückbleiben, das wiederverwendet werden muss. Bei Verfahren mit DED wird nur die benötigte Materialmenge verarbeitet. Da kein Abfallpulver zu recyceln ist, führt dies zu einem effizienten Materialverbrauch und zu Kosteneinsparungen.

Multi-Material-Fähigkeiten: Mit DED können Pulver oder Drähte während des Bauprozesses verändert oder gemischt werden, um maßgeschneiderte Legierungen zu erzeugen. Die Technologie kann auch verwendet werden, um einen Gradienten zwischen zwei verschiedenen Materialien innerhalb desselben Baujobs zu erzeugen, wodurch stärkere Materialeigenschaften für ein Teil erreicht werden.

Hochwertige Metallteile: DED produziert hochdichte Teile mit mechanischen Eigenschaften, die genauso gut oder besser sind als die von vergleichbaren Guss- oder Knetwerkstoffen. Teile, die mit DED hergestellt werden, können auch endkonturnahe Formen annehmen, was bedeutet, dass sie nur wenig Nachbearbeitung benötigen.

Hybride Fertigungsmöglichkeiten: DED ist eine der wenigen Metall-3D-Drucktechnologien, die in Bearbeitungszentren integriert werden können, um eine hybride Fertigungslösung zu schaffen. Durch die Montage einer Auftragsdüse auf einem mehrachsigen Bearbeitungssystem können hochkomplexe Metallteile schneller und flexibler hergestellt werden.

Was sind die Grenzen des DED ?

Zu den Einschränkungen des DED gehören:

Niedrige Auflösung: Teile, die mit Direct Energy Desposition hergestellt werden, haben eine geringe Auflösung und eine schlechte Oberflächengüte, was eine Nachbearbeitung erfordert, die dem gesamten Prozess Zeit und Kosten einbringt.

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

Kosten: Die Kosten für DED-Systeme sind normalerweise sehr hoch und liegen jenseits 500.000 US-Dollar.

Häufige Anwendungsfälle

DED wurde erfolgreich in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Öl & Gas, Verteidigung, Marine und Architektur. Hersteller von Luftfahrzeugen verwenden diese Technologie zunehmend zur Herstellung von Bauteilen für Satelliten und Militärflugzeuge. Lockheed Martin Space zum Beispiel hat kürzlich den EBAM-Prozess von Sciaky für den Bau von Titankraftstoffkuppeln für Satelliten qualifiziert. Durch den Einsatz der Technologie konnte das Unternehmen die Produktionszeit für das Bauteil um 87% verkürzen und die Vorlaufzeit von zwei Jahren auf drei Monate verkürzen.

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

Neben der Herstellung von Metallteilen eignet sich die DED-Technologie hervorragend zur Reparatur von beschädigten Teilen. Dank der starken metallurgischen Verbindung und der feinen, gleichmäßigen Mikrostruktur, die DED herstellen kann, können Bauteile wie Turbinenschaufeln und Spritzgusswerkzeugeinsätze überholt werden. Durch die Reparatur verschlissener Teile, Formen oder Matrizen ermöglicht DED eine erhebliche Reduzierung von Ausfallzeiten und Kosten im Zusammenhang mit dem Austausch von Teilen, während die Lebensdauer des Teils verlängert wird.

Darüber hinaus kann DED zum Modifizieren von Teilen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit eines Teils verbessert werden, indem die Technologie verwendet wird, um eine verschleißfeste Hartbelagschicht aufzubauen.

Die Zukunft von DED

Direct Energy Deposition bietet zahlreiche Vorteile für Industriezweige, in denen hochwertige Geräte und maßgeschneiderte Metallteile, insbesondere solche mit größeren Abmessungen, hergestellt oder effizient repariert werden müssen. Mit Blick auf die Zukunft erwarten wir, dass sich die Anwendungsmöglichkeiten für die Technologie insbesondere aufgrund des spannenden Trends der Hybridfertigung erweitern werden. Durch die Integration mit herkömmlichen Fertigungstechnologien könnte DED Fortschritte in Branchen erzielen, die nach innovativen und kostengünstigen Produktionsmöglichkeiten suchen.