直接能量沉積
關注創建者：Hubert.Wang 創建時間：2020-02-18
直接能量沉積的實例教程
simufact.welding 2020 新功能
主要更新內容：
新增工藝類型模塊：直接能量沉積-Direct Energy Deposition，送絲送粉式增材制造，
Python腳本功能
擴展和增強后處理工能
電阻點焊功能改進
GUI支持冶金學模型
利用G-Code進行模型創建和設置
改進UNV導出，兼容第三方軟件數據
其他易用性和功能改進（改進246個新功能）
更新說明：
新增工藝類型模塊：直接能量沉積-Direct Energy Deposition，送絲送粉式增材制造，
與之前的多層多道焊接仿真不同，模型基于單個沉積體
采用先進的單元激活技術，在確保精度的情況下求解效率更高
單元集合自動在前處理界面中分配設置
設置沉積材料預熱
Python腳本功能
增加了Python接口，可以對現有模型中進行工裝、焊接順序等設置
接口可用于：在終端鍵入命令；在終端運行腳本文件
提供教程和集成html使用文檔
允許安裝額外的軟件包使用
用于結果導入，重新掃描結果文件
擴展和增強后處理工能
在結果視圖中添加了一個通用的過濾器
顯示指定編號的節點和單元
顯示指定編號范圍內的節點和單元
顯示小于或大于某個值的結果
顯示一定的范圍內的結果
增加收斂監視器，可以幫助用戶追蹤和分析焊接工藝過程，評估求解器的收斂行為，求解不穩定和報錯的情況，并根據計算時間和結果情況判斷可行的改進設置
電阻點焊功能改進
支持使用熱循環方式求解多于2層板的電阻點焊
默認的接觸類型設置為在峰值溫度高級粘接
一個組件可以被標記為“膠 （adhesive
展開 常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
圖1. 各種金屬增材制造技術示意圖：(a) 粉床熔融技術，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實體制造，(e) 直寫成型技術，(f) 粘合劑噴射。
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優異性能的復雜晶格結構，但它們的制造仍然受到傳統方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發展反過來促進了更復雜結構的設計，設計目標也從原來的可制造性轉變為功能性。 從結構設計的角度看，晶格結構是在一定的空間中重復出現的單元胞集合。 因此，在晶格結構的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優化，這樣方能得到具有優異性能的晶格結構。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
圖2. 粉床熔融技術制備的桿基金屬晶格結構及其單元胞原型：(a) 立方體結構，(b) 優化結構，(c) 菱形十二面體結構。
總的來說，金屬晶格結構的性能主要由單元胞的構型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結構可以在不同的工業領域發揮作用。例如，具有較低的彈性模量金屬晶格結構，可適用于生物醫用骨科植入物；具有較高的剛性和能量吸收能力的金屬晶格結構，可適用于輕量化結構設計及能量吸收器；具有較高的比表面積的金屬晶格結構，可適用于催化結構的載體。以及還有其他工業領域的應用。
圖3. 輕量化金屬晶格結構實際案例：(a)-(c) 不銹鋼米歇爾梁，(d) 不銹鋼汽車控制臂，(e) 鈦合金枕形支架，(f)-(h) 用金屬晶格結構填充的衛星支架。
展開 將討論下面的主題：
· 關于增材制造
· 工具路徑-網格交叉模塊
· 熱-力分析
· 基于本征應變的分析
· 增材制造的特殊目的技術
· 后處理仿真以及服役性能驗證
1.1關于增材制造
增材制造，也被稱為3D打印，是一個廣泛使用的術語，用于描述制造三維物體的工業過程：
· 原材料的受控沉積(通常為粉狀、熔融態或液態);
· 誘導轉化為固態。
通用增材制造過程（ISO/ASTM52900-15）如下表：
技術
粉末床
粘結劑噴射
直接能量沉積
材料擠出
箔片層疊
光照聚合
材料噴射
描述
熱能選擇性地熔化粉末床的區域
一種液體粘合劑被沉積，來連接粉狀材料
安裝在多軸臂上的噴嘴沉積熔化的材料
材料通過噴嘴擠出，在那里被加熱。
展開 △粘合劑噴射3D打印機
直接能量沉積（Direct Energy Deposition）
常用工藝：DED（直接金屬沉積）、WAAM（電弧增材制造）、LMD（激光材料沉積）
描述：這種方法通過擠壓金屬，無論是金屬粉末還是金屬絲，然后立即受到高能量的撞擊（可以通過等離子弧、激光或電子束實現熔化）。能量熔化金屬，熔池立即下降到3D空間，通過機械臂進行位置操作。它與焊接非常相似，因此主要應用之一是修復現有金屬零件并增加零件的功能性。
技術優點：金屬絲是最實惠的金屬3D打印材料形式，有些機器甚至可以使用兩種不同的金屬粉末來制造合金和材料梯度。5軸和6軸運動可以在不使用支撐材料的情況下生產模型。可以修復損壞的金屬部件并添加新組件。構建體積大，材料使用高效，零件密度高，機械性能好，打印速度快。
技術缺點：零件表面質量較差，通常需要機加工和精加工，小細節很難或不可能實現。機械和操作成本高。
△激光金屬沉積(LMD)
金屬材料擠壓（Metal Material Extrusion）
常用工藝：FDM（熔融沉積建模）/FFF（熔絲制造）
描述：這項技術專為使廉價金屬3D打印而創建，可用于中小型企業。設計工作室、機械車間和小型制造商使用金屬材料擠壓機來迭代設計、創建夾具和固定裝置，并完成小批量生產。領域的最新發展是金屬絲，可在大多數桌面FDM3D打印機中使用，使幾乎每個人都可以使用金屬3D打印。金屬材料擠壓的工作原理：
聚合物細絲或浸有金屬小顆粒的線材按照設計形狀逐層3D打印。
清洗3D打印部件，去除一些粘合劑。
將零件放入燒結爐中，金屬顆粒熔化成固體金屬。
技術優點：實惠、操作簡單安全。
展開 2018年10月10日，南極熊獲悉，澳大利亞和印度的研究人員開發了一種新的理論模型，可成功預測激光增材制造的殘余應力和臨界沉積高度。
該模型由印度理工學院的Ramesh Singh教授團隊與莫納什大學的Wenyi Yan教授共同開發，研究了熱機械行為和通過直接能量沉積技術（如激光熔覆）進行的冶金轉化。
激光熔覆廣泛用于汽車和航空航天工業中零件和結構部件的維護，修理和大修，因為它改善了材料特性。
“定向能量沉積方法在航空航天部件，模具、模具的維修和再制造方面具有巨大的潛力，這些部件和模具因循環熱機械加載而受到損壞，”Singh解釋說。 “但是，沉積層中存在拉伸殘余應力會降低部件的疲勞壽命。在這項協同工作中開發的完全耦合的熱機械和冶金模型已用于確定臨界沉積高度，以確保壓縮殘余應力。 沉積層可持續修復。“
△用Neutron和X射線衍射測量有限元模型預測殘余應力的比較。圖片來源：澳大利亞核科學技術組織（ANSTO）
他們的工作在“Scientific Reports journal”上在線發表。在該論文中，研究人員報告說，通過其金屬熱機械模型預測的激光熔覆鋼橫截面上殘余應力的變化表明存在臨界沉積高度。
沉積的臨界高度對應于層厚度，當沉積時，層厚度將使沉積層和基板中的有益壓縮殘余應力最大化。
低于臨界高度的沉積將在界面處產生有害的拉伸殘余應力，而高于臨界高度的沉積將導致過度稀釋。
研究還發現，在沉積的臨界高度，凝固速率最小。
Kowari殘余應力衍射儀用于測量H13鋼樣品中的宏觀殘余應力，該樣品是用釩含量高的坩堝顆粒冶金鋼粉激光包覆的。
Kowari殘余應力的三維測量是高度準確和非破壞性的。
“一個模型只有它的驗證一樣好。
展開 
直接能量沉積的相關專題、標簽、搜索
直接能量沉積的最新內容
△直接能量沉積和 CNC 銑削的結合（來源：DMG MORI）
了解什么是混合制造機器，這些機器的優勢是什么，有助于進一步對混合制造進行探索和研究，如果你也感興趣，就和南極熊一起看下去吧！
什么是混合式 CNC-3D 打印機？
開發的光內送粉等20余種規格的激光熔覆噴頭，適用于1~20 kW激光直接能量沉積，在電機轉子、風機轉子等動力部件的增材修復中獲得應用。激光加熱陰極電子qiang、大尺寸數字式動態聚焦掃描系統、在線檢測系統等打破了國外公司的技術壁壘，國產3 kW六硼化鑭單晶陰極電子qiang的陰極壽命提升至800 h；相關的電子qiang及動態聚焦掃描系統配置于國產大幅面陣列式電子束選區熔化裝備。
6.結論
本文對金屬增材制造的主要工藝進行了詳細的描述，并對金屬增材制造工藝的發展進行了圖解和詳細的說明，如線材增材制造工藝、粘結劑噴射工藝、粉末床熔接法和粉末直接能量沉積法。此外，這些技術根據所使用的原料分類，它們是液體基AM，固體基AM，線基AM，粉末基AM和直接能量沉積基AM。對于每一種AM技術，不同的工藝參數被比較在不同的材料應用。
Arevo主要是開發了一種基于激光DED（即直接能量沉積）的專利3D打印工藝。
△Arevo的核心技術：DED工藝。激光束熔化剛加上去的聚合物細絲和上一層沉積打印的材料，形成液-液界面。同時，使用一個滾軸施加壓力，將層與層之間的空隙率降低到小于1％，達到消除分層橫截面的目的。
作為該計劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 打印等技術建造核反應堆堆芯。2020 年，普渡大學在收到美國能源部 80萬美元的資助后，成為 TCR 計劃的主要貢獻者。因此，普渡大學正在開發一種人工智能 (AI) 模型，以確保反應堆堆芯 3D 打印組件的核級質量。
TCR 計劃還見證了 ORNL 開發了自己的新型 3D 打印技術，專門用于生產核反應堆部件。
隨著增材制造(AM)技術的發展，基于激光熔覆和快速成型技術的快速修復技術逐漸發展起來，如激光立體成型(LSF)和直接能量沉積(DED)技術。激光立體成型(LSF)技術可以快速制造和修復性能優越的高強度鋼零件，但加工過程中的熱輸入難以量化，對零件的組織和力學性能有很大影響。精確控制熱輸入，探索熱輸入與組織和力學性能的關系，是提高低合金鋼零件成型效率和質量的有效途徑。
常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
圖1. 各種金屬增材制造技術示意圖：(a) 粉床熔融技術，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實體制造，(e) 直寫成型技術，(f) 粘合劑噴射。
現在，每臺金屬3D打印機通常都會使用以下四類工藝中的一種：粉末床融合、粘合劑噴射、直接能量沉積和材料擠壓。
△金屬3D打印
金屬粉末床熔化（Metal Powder Bed Fusion）
常用工藝：DMLS（直接金屬激光燒結）、SLM（選擇性激光熔化）和EBM（電子束熔化）。
△MJF流程
直接能量沉積（Direct Energy Deposition）
常用工藝：DED、WAAM
描述：這種方法通過擠壓金屬，無論是金屬粉末還是金屬線，然后立即受到高能量的撞擊。能量熔化金屬，熔池立即下降到3D空間，通過機械臂進行位置操作。
缺陷：雖然這種方法通常高效且高度可擴展，但DED的表面分辨率質量相當差。產品往往看起來很粗糙。
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
本文共計2798字，閱讀時間預計9分鐘
關于仿真對增材制造的作用，安世亞太高級副總裁田鋒提到過雖然金屬增材制造增長速度近年來非常可觀，但無論是直接能量沉積工藝還是粉末床融化工藝，離開仿真，金屬增材制造將遭遇嚴重瓶頸，只能封印在低層次的應用空間。
