金属直接能量沉积 (DED) 增材制造 (AM) 与许多其他增材制造学科相比，具有以高沉积速率构建超大型组件的潜力。 DED AM 工艺逐层沉积熔融金属以构建零件。大多数系统使用激光、等离子、电子束或电弧来产生热量，并使用金属丝或吹制的粉末来添加材料。
Simufact Welding 中的 DED 工艺模拟结果。 （所有图片均由 Hexagon 提供）理论上，DED AM 零件的尺寸几乎没有限制，并且可以根据能源和原料输送方法采用许多复杂的形式。
尽管如此， DED AM 工艺对零件的形状或热应力、应变和变形提出了挑战。这些因素可能使制造零件变得困难满足工程制图要求的单个打印迭代。到目前为止，这些问题已通过经验和老式的反复试验得到缓解。当单个构建花费数万美元并需要数天、数周甚至数月才能完成时，一种新的方法是合理的，可以最大限度地减少实现可接受结果所需的构建数量。
模拟支持虚拟试用
过去几年，用于焊接和增材制造应用的过程模拟软件越来越受欢迎。工程师使用该软件评估构建过程中的热历史以及由此产生的结构应力、应变和变形。这使得最重要的虚拟试用成为可能。
在进行任何物理 DED 构建之前，用户可以预测计划的 AM 过程的结果，并在尝试任何物理构建之前减少不良结果。然而，模拟并非没有其自身的一系列挑战，例如完成计算机模拟计算所需的较长求解时间。在某些情况下，这可能比物理过程本身花费的时间长得多，从而使模拟的价值降低。
为了显着减少求解时间，可以应用一些建模或计算方法的简化。大幅提高速度的代价可能是结果准确性的损失。 DED 行业用户的反馈表明，如果模拟时间合理，方向正确的模拟结果即使达到 50% 的精度仍然非常有价值。
另一个挑战是材料特性数据的可用性，这是一个关键DED 过程模拟的输入。热和机械材料特性的准确性在确定最终结果的稳健性方面起着核心作用。稳健定义的材料特性数据通常不可用，并且必须做出假设，导致模拟结果不太准确。
热历史预测是它的起点
过程模拟还可以有效地预测局部热历史，以两种额外的方式通知工程师：1) 预测局部温度下的时间、冷却速率和产生的微观结构，以及 2) 预测局部用于过程控制机制的热历史。微观结构和晶粒预测使工程师能够评估结构在其预期应用中的适用性。一些微结构和晶粒结构或多或少比其他结构更理想，并且具有不同的材料特性，例如屈服强度、延展性和伸长率，可能满足指定的设计/材料允许。
有可能以实现更理想的微观结构以及由此产生的材料特性的方式控制 DED 过程。仿真使这项工作变得可行。局部热历史预测使工程师能够确定局部表面温度随时间的变化情况。氏然后，S 的信息会提供给过程控制系统，以确保构建按计划进行。热历史数据还使工程师能够查看构建过程中可能出现问题的区域。相同的数据有助于确定部件层间或区域之间的理想暂停时间（冷却时间）。
实现 DED 的可能性
技术合作伙伴正在积极制定战略和解决方案，以克服其中的许多挑战。密歇根州奥本山的 DM3D 目前正与海克斯康位于罗得岛北金斯敦的制造智能部门合作，以开启大规模 DED 组件生产的新时代。 DM3D 是激光吹粉 DED 机器和服务的供应商，能够构建当今市场上任何 AM 机器的一些最大部件。与所有金属 DED AM 机器供应商一样，DM3D 对其工艺的热效应所带来的挑战有着透彻的了解。六边形n 开发了一整套仿真软件，包括 DED 专用模块。
“预测和管理热历史、残余应力和由此产生的变形的能力是获得可用部件的关键。通过应用 Hexagon 的 Simufact Welding 仿真软件，DM3D 能够在开始物理构建之前尝试计划的流程，并根据需要进行调整，”DM3D 总裁 Bhaskar Dutta 表示。 “首先，我们正在研究结构的变形：发生的位置、幅度和时间。我们还评估了热历史、残余应力分布和 Z 高度损失。
“通过减少添加到零件的额外加工余量和所需的迭代次数，DM3D 能够更好地实现零件以减少时间和成本。我们发现 Hexagon 的 Simufact DED 模块是市场上最先进的软件产品之一。 Simufact 已经开发面向过程的图形用户界面 (GUI) 和快速求解器，可显着减少建模工作量和计算时间，同时产生合理的结果，”Dutta 总结道。
自信地进行物理构建
一旦为要打印的 3D CAD 模型确定了合适的工艺，就可以进行物理构建，并通过工艺模拟完成试用。模拟软件生成补偿 G 代码或几何表示，在构建时将变形为形状。该构建计划被发送到 DED 机器并开始构建。此时，重点转移到确保生成的构建按预期进行并满足所需的尺寸规格。在构建过程中，热成像数据会在熔池内部和周围以及零件的其他位置收集。将该数据与模拟数据进行比较，以验证热历史是否按预期进行；这是唯一的成功结果的重要指标。工程师还可以检查构建的几何形状，通常是通过光学或触觉测量系统。
由 DM3D 构建的 DED 零件的结构光扫描。测量数据及其与预期零件几何形状的比较用于评估打印部件的尺寸合规性。但是，重要的是要注意 DED AM 中的竣工几何体通常是“近净形状”。将此数据与 CAD 标称几何形状进行比较是无关紧要的，因为通常会有大量多余的材料添加到构建中，而这些材料必须在最终加工过程中去除。由于 DED 不能为大多数应用产生可接受的表面光洁度，因此需要这个额外的过程。为了解决这个问题，工程师还必须拥有近净形状的准确几何表示与测量数据进行比较。此步骤使工程师能够识别不合格品并将其作为废品尽早从流程中移除，然后再执行其他增值操作。
实现更严格的公差
即使使用有效的流程模拟，由于 DED 过程中固有的高度非线性、热机械行为，第一次构建可能不完全符合其尺寸规格。在这种情况下，需要辅助工作流程。
增强的工作流程：结合模拟和扫描的补偿。
第一次物理之后在构建过程中，使用测量设备扫描零件并生成竣工几何图形的数字表示。先进的计量软件 Volume Graphics 用于分析此数据以获得内部的变形场那个部分。这些变形场用于执行扫描补偿，变形已经由过程模拟补偿的几何体。这样一来，工程师可以确信，试模过程很可能会限制为不超过一个物理构建，以实现 DED AM 构建的尺寸控制。然而，在需要更严格公差的情况下，可以迭代执行此过程，以努力越来越接近标称值。
DED AM 是一个具有非常高潜力的具有挑战性的制造过程。通往成功的道路需要现代解决方案来实现质量控制目标、降低生产成本并缩短首篇文章发表时间。过程模拟、过程中监控和扫描补偿提供了强大的工程工具组合，可以推动金属直接能量沉积在大型增材制造零件中发挥其全部潜力。
