Gerichtete Energieabscheidung (Directed Energy Deposition, DED) ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem eine fokussierte Energiequelle wie ein Plasmabogen, ein Laser oder ein Elektronenstrahl verwendet wird, um ein Material zu schmelzen, das gleichzeitig durch eine Düse aufgebracht wird. Wie bei anderen additiven Fertigungsverfahren können DED-Systeme zum Hinzufügen von Material zu bestehenden Bauteilen, für Reparaturen oder gelegentlich auch zum Bau neuer Teile verwendet werden.
Das DED-Verfahren ist auch unter anderen Namen bekannt, darunter Laser Engineered Net Shaping (LENS), Direct Metal Deposition (DMD), Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM), Directed Light Fabrication und 3D Laser Cladding, je nach der genauen Anwendung oder der verwendeten Methode.
Wie funktioniert die gerichtete Energieabscheidung?
Das DED-Verfahren beginnt mit der Erstellung eines 3D-Modells mithilfe einer CAD-Software. Dieses Modell wird dann mit einer Software in Schichten zerlegt, um die für das fertige Werkstück erforderlichen Schichten darzustellen.
Bei der gerichteten Energieabscheidung wird geschmolzenes Material auf eine bestimmte Oberfläche aufgebracht, wo es sich verfestigt und die Materialien zu einer Struktur verschmilzt. DED-Maschinen verwenden in der Regel eine Düse, die auf einem mehrachsigen Arm montiert ist, der sich in mehrere Richtungen bewegen kann und so eine variable Abscheidung ermöglicht. Das Verfahren wird in der Regel in einer kontrollierten Kammer mit reduziertem Sauerstoffgehalt durchgeführt. Bei elektronenstrahlbasierten Systemen wird der Prozess im Vakuum durchgeführt, während laserbasierte Systeme bei reaktiven Metallen eine vollständig inerte Kammer verwenden. Es ist auch möglich, ein Schutzgas zu verwenden, um das Teil abzudecken und eine Kontamination während des 3D-Drucks von Metall zu verhindern.
Beim DED wird eine Wärmequelle verwendet, um ein Pulver oder einen Draht zu schmelzen und auf die Oberfläche eines Objekts aufzubringen. Während Pulver eine größere Genauigkeit bei der Abscheidung bietet, ist Draht im Hinblick auf den Materialverbrauch effizienter.
Das Material wird schichtweise aufgetragen und verfestigt sich aus dem Schmelzbad, um neue Merkmale zu erzeugen. Die Schichten sind in der Regel 0,25 mm bis 0,5 mm dick. Die Abkühlungszeiten für die Materialien sind mit etwa 1000-5000 °C pro Sekunde sehr schnell. Die Abkühlzeit wirkt sich auf das endgültige Korngefüge aus, obwohl Überschneidungen im Material ein Wiederaufschmelzen verursachen können, wodurch ein einheitliches, aber wechselndes Gefüge entsteht.
In den meisten Fällen bleibt das Objekt in einer festen Position, während sich der Arm bewegt, um das Material abzulegen. Dies lässt sich jedoch durch den Einsatz einer Plattform umkehren, die sich bewegt, während der Arm stationär bleibt.
Werkstoffe
Dieses Verfahren wird in der Regel für die Bearbeitung von Metallteilen eingesetzt, kann aber auch für Polymere und Keramiken verwendet werden. Nahezu jedes schweißbare Metall kann mit dem DED-Verfahren additiv hergestellt werden, darunter Aluminium, Inconel, Niob, Edelstahl, Tantal, Titan und Titanlegierungen sowie Wolfram.
Was sind die Vorteile von DED?
Zu den Vorteilen der gerichteten Energieabscheidung gehört die Möglichkeit, das Korngefüge zu kontrollieren, wodurch das Verfahren für die Reparatur von hochwertigen Funktionsteilen eingesetzt werden kann. Dies erfordert jedoch ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit, da höhere Geschwindigkeiten eine geringere Genauigkeit und ein weniger konsistentes Mikrogefüge bedeuten.
Was sind die Nachteile von DED?
Die erzeugte Oberfläche variiert je nach verwendetem Material und kann eine gewisse Nachbearbeitung erfordern, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Die Verwendung von DED-Materialien ist noch relativ begrenzt, und schmelzmetallurgische Verfahren müssen noch weiter erforscht werden, damit sie allgemein eingesetzt werden können.
Was ist mit DED möglich?
DED ermöglicht die Herstellung relativ großer Teile mit minimalem Werkzeugaufwand.
Dieses Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von Bauteilen mit Zusammensetzungsgradienten oder hybriden Strukturen unter Verwendung mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen.
Gerichtete Energieabscheidung im Vergleich zu Pulverbettfusion
Untersuchungen haben gezeigt, dass die gerichtete Energieabscheidung bei der Herstellung mittelgroßer Metallteile zehnmal schneller und fünfmal kostengünstiger ist als das Pulverbettschmelzen (PBF). In der Studie wurden die beiden Verfahren bei der Herstellung eines Metallteils aus Inconel mit 150 mm Durchmesser und 200 mm Höhe getestet. Die Geometrie des Teils wurde so gestaltet, dass es ohne Stützstrukturen hergestellt werden konnte, um vergleichbare Parameter zu gewährleisten.
Die Vorteile des DED-Verfahrens zeigen sich darin, dass der Materialverbrauch sowie die Kühl- und Bauzeiten im Vergleich zum PBF-Verfahren erheblich reduziert werden.
Anwendungen
Directed Energy Deposition kann zur Herstellung von Bauteilen verwendet werden, wird aber in der Regel für Reparaturen oder zum Hinzufügen von Material zu bestehenden Komponenten eingesetzt. Im Allgemeinen lassen sich die Anwendungen für DED in drei Kategorien einteilen: endkonturnahe Teile, Hinzufügen von Funktionsmerkmalen und Reparatur.
Endkonturnahe Teile (Near-Net-Shape-Teile)
Mit dem DED-Verfahren können ähnliche Teile wie mit der konventionellen Bearbeitung hergestellt werden. Das bedeutet, dass DED nur dann in Frage kommt, wenn diese Teile für Anwendungen bestimmt sind, bei denen die konventionelle Herstellung teuer oder langsam ist. Damit ist das Verfahren ideal für die Herstellung von Werkstücken aus teuren oder schwer zu bearbeitenden Metallen. Daher eignet sich DED für die Herstellung von Teilen wie Halterungen, Tanks und Rippen für die Luft- und Raumfahrt. Die Herstellung von Near-Net-Shape-Teilen wird vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungssektor sowie in der Energie- und Schifffahrtsbranche eingesetzt. Obwohl dieses Verfahren zu verbessertem Produktdesign, Zeitersparnis und Kostenreduzierung führt, wird es aufgrund der festen Preisstruktur und der Nachbearbeitungsanforderungen nicht als geeignet für die Massenfertigung kleiner Bauteile in großen Mengen angesehen.
Hinzufügen von weiteren Funktionsmerkmalen
Da das DED-Verfahren zum Bedrucken vorhandener Teile verwendet werden kann, eignet es sich ideal für das Hinzufügen zusätzlicher Funktionsmerkmale zu vorhandenen Teilen. Dank der Fortschritte in der mehrachsigen Robotik und Software können immer komplexere Formen hergestellt werden, was besonders dann nützlich ist, wenn das hinzugefügte Funktionsmerkmal mit herkömmlichen Techniken teuer herzustellen ist.
DED ermöglicht auch die Verwendung mehrerer Metalle, indem das Ausgangsmaterial während des Drucks gewechselt wird. Um dies erfolgreich zu erreichen, gibt es wichtige technische Überlegungen zum Design und zu den Verbindungseigenschaften für unterschiedliche Metalle.
Reparatur
Die direkte Energieabscheidung ersetzt zunehmend herkömmliche Methoden zur Reparatur von Teilen. Da es sich um ein automatisiertes Verfahren handelt, bietet DED ein hohes Maß an Kontrolle und Wiederholbarkeit, was besonders für komplexe und präzise Teile wichtig ist. Das Verfahren wird bereits für Anwendungen wie die Reparatur von beschädigten Turbinenschaufeln oder Propellern eingesetzt.