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图1：宾夕法尼亚州立年夜学运用研究试验室的高价值Ti-6Al-4V轴的修复。

定向能沉积（DED）多是聚变增材制造的最古老的例子了。早于1925年，利用电弧制造3D物体的观点就得到了西屋电器公司的专利。自1925年以来，环境已经经得到了长足的成长 但从道理上看，今天的DED体系与这个初期观点相距其实不远。

现代激光DED体系配备了靠得住的激光源、周详的运动体系及强盛的计较能力。这些体系与CAD、工艺计划及运动节制软件相联合，可用在广泛的运用，包括零件出产、特性增长、维修及外貌涂层。

激光DED工艺及体系

激光DED（L-DED）体系包括三个重要部门：

（1）激光束：其运送能量以于基底上形成熔池。

（2）原料运送体系，其向熔池中吹入粉末或者注入金属丝。

（3）运动体系，其使激光束及原料相对于在衬底挪动。

十年前，年夜大都L-DED体系采用CO2或者Nd:YAG激光体系。如今，险些所有商用L-DED体系都采用光纤传输激光器，此中以掺镱光纤激光器最为常见。这些体系年夜大都于200~1500W的激光功率规模内事情，只管也又功率更强盛（约10kW）的商用体系呈现。虽然光纤激光器于L-DED体系中盘踞主导职位地方，可是也有体系采用Nd:YAG碟片激光器或者半导体激光器。

金属粉末或者金属丝均可以用作原料。于这两种环境下，向熔体中引入原料并不是易事。几克/分钟的低落积速度，对于在中低功率体系来讲比力常见；而千瓦级激光体系每一分钟可以向熔体中进给几十克质料。广泛的沉积头（例如，同轴或者多喷嘴）可用在粉末运送。现成的沉积头可用在集成到自界说配置中；于年夜大都环境下，L-DED体系制造商采用他们本身的沉积头设计。

为了得到紧凑的几何外形，用在修复运用的体系凡是配备紧凑的沉积头，该沉积头相对于在下面的基板具备角度陡峭的喷嘴。其他体系采用很是小角度歪斜的喷嘴，以实现悬伸物的沉积。还有有一些人更体贴的是最小化流动的粉末流的腰部 将粉末的腰部核心连结于激光束光斑巨细的量级，从而最年夜限度地提高粉末的效率。坦率的评估是，沉积头设计缺少尺度化，终极用户只能预测甚么最合适他们的特定运用需求。

与粉末运送同样，也有几种金属丝运送方式。最多见的环境是，经由过程尺度金属丝进给器及喷嘴将金属丝以平缓角度插入熔池的前部。这类要领需要协调金属丝相对于在基板平移标的目的的位置。金属丝必需始终插入熔体前部四周；不然，操作者有将金属丝冻结于熔体的后部凝集区域的危害。也有一些体系与激光束同轴的方式送丝。例如，德国Fraunhofer质料与光束技能研究所提供了一种沉积头，该沉积头将激光束分束并指导到同轴运送的金属丝周围。经由过程实现定向沉积，同轴送丝体系降服了传统送丝L-DED的重要限定。

还有有很多种类的运动体系用在L-DED。最简朴的呆板采用三轴线性平台体系，此中基板或者沉积头相对于在相互挪动。于已往的几年中，四轴及五轴体系的数目有所增长，这些体系可以或许使基板或者沉积头扭转及/或者歪斜。四轴体系尤其合用在轴、管及其他圆柱形部件的修复，例如于改良的Optomec LENS体系长进行的高价值Ti-6Al-4V轴的修复（见图1）。

除了了基板的歪斜及扭转以外，采用6轴或者更多轴的机械臂的利用，也愈来愈受接待。这类体系于零件繁杂性及尺寸方面实现了最年夜的自由度，但仍没法与传统平台体系的正确度及精度相匹配。

现有和新兴运用

一般来讲，L-DED体系分为两年夜类：用在快速、年夜面积增材制造的多千瓦级体系；以和用在周详维修及功效添加的低功率体系。于已往的几年中，将L-DED与现场数控加工相联合的混淆增材制造体系，试图将年夜面积增材制造与周详加工或者粗加工相联合。

到今朝为止，L-DED最多见的运用是用在高价值部件的维修。于很多环境下，维修成本比零件改换成本低几个数目级。以镍合金涡轮叶片的维修为例，维修凡是需要于机加工外貌上添加几层，然落伍行后处置惩罚。几英寸宽的刀片可能需要几十分钟才能修复；于这段时间里，耗损了几十克粉末，粉末及劳动力的总成本可能于每一把刀片几十到几百美元的数目级 这远低在一把新刀片的成本。对于在如许的运用，可以采器具有紧凑的粉末进给头及四轴或者五轴运动体系的几百瓦激光体系。图2显示了未经精加工的L-DED修复的铬镍铁合金叶片。

图2：L-DED修复的铬镍铁合金涡轮机叶片，并未举行末了的邃密加工。

特性添加，此中基底成为终极产物的一部门，这是另外一种有远景的L-DED运用。一种常见的利用环境是于传统锻件或者铸件上添加挤压特性，而且不需要后处置惩罚外貌精加工。于简朴的几何外形上添加挤压特性，可以显著削减与全机加工或者锻造相干的质料及能量耗损。

图3：L-DED用在制造三维几何外形的叶片。

激光DED体系也可用在制造全三维部件（见图三、图4）。从汗青上看，利用L-DED出产繁杂几何外形的能力一直是有限的 然而，今朝可用的5+轴体系提供了构建繁杂自力布局的矫捷性。外貌粗拙度（凡是于Ra 100 m的数目级）仍旧是某些运用的限定因素。配备5+轴运动的混淆L-DED体系，不仅可以实现繁杂几何外形的L-DED，还有可以原位加工零件。这使患上可以或许于统一层内举行沉积及机加工。虽然于某些环境下，因为零件于组装及机加工历程中的变形，于现场对于零件举行精加工其实不轻易或者者不成能，但可以于几十微米的公役规模内对于繁杂的几何外形举行粗加工。

图4：利用混淆体系精加工叶片几何外形。

一个新兴的研究范畴是新型合金及功效梯度质料的L-DED。因为L-DED体系（尤其是那些配备了多个粉末供料器的体系）可以或许定制合金或者元素粉末的混淆，研究职员此刻可以或许选择零件内的质料身分。这使患上可以或许添加制造具备复合质料或者分级合金的布局。例如，分级硬度，从构件焦点的较软质料到外貌的较硬质料，于不影响内部延展性的环境下，提供了长期外貌的潜力。图5是用这类分级要领制造的一个叶片。

图5：用分级要领制造的叶片。

瞻望

只管L-DED是最古老的增材制造技能之一，但它仍旧于实用性方面不停增加。今天的体系提供了很多配置选项，包括激光类型、激光功率、给料类型、运动节制及原位加工的可用性。这实现了广泛的运用，包括零件维修、功效添加及自力布局的彻底沉积。

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