DM3D:使用直接金屬沉積技術(shù)，為NASA開發(fā)大型發(fā)動機襯套零件，工期縮短2到10倍

導讀：雖然AM被稱為第四次工業(yè)革命，但它在大型零件制造領域還有很長的路要走。在所有金屬AM技術(shù)中，定向能量沉積 (DED)技術(shù)更容易擴展，因此DED非常適合制造大型零件，但DED技術(shù)的采用進度比其他3d打印技術(shù)例如粉末床融合 (PBF)、材料噴射 (MJ) 或熔融沉積建模 (FDM)慢得多。現(xiàn)在，這種情況正在悄然發(fā)生改變，因為航空航天和國防工業(yè)在探索和采用大幅面金屬打印方面處于領先地位。2023年1月，南極熊獲悉，領先的DED技術(shù)和服務提供商DM3D利用直接金屬沉積技術(shù)，為NASA開發(fā)大型發(fā)動機襯套零件，工期縮短2到10倍。



DED技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長的時間。Baker在1935年申請的“裝飾品制作方法”專利是第一個使用定向能量技術(shù)的已知專利，雖然該過程不是數(shù)字驅(qū)動的，但它的制造核心仍是分層方法。如今的DED技術(shù)更加復雜，并且完全由數(shù)字制造方法驅(qū)動，但此技術(shù)在大型零件制造中的應用仍然存在一一些限制。提高構(gòu)建速度、一致的構(gòu)建過程、實時過程監(jiān)控、應力和變形解決策略是實現(xiàn)生產(chǎn)大型金屬AM部件制造的基本要求，也是目前DED技術(shù)發(fā)展中需要解決的問題。


△圖 1. 使用 DMD 技術(shù)打印的復雜幾何圖形。(a) 空心彎頭，(b) 半球，(c) 火箭發(fā)動機噴嘴（由 NASA MSFC 提供）和 (d) 渦輪發(fā)動機部件。

領先的DED技術(shù)和服務提供商DM3D Technology LLC肩負著大型金屬零件增材制造的使命。下面南極熊將介紹DM3D Technology LLC以及其突出成果。DM3D專有的直接金屬沉積 (DMDâ) 是 DED 技術(shù)之一，它使用高功率激光作為熱源，金屬粉末/線材作為原料，直接從 CAD 數(shù)據(jù)逐層 3D 打印金屬零件（圖 1）。該流程首先確定要制造的部件，分析其制造技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)，并針對這些挑戰(zhàn)制定綜合解決方案，以最大限度地提高制造成功率。在過去的五年里，DM3D團隊一直在與客戶和供應商合作，取得了多項成果。


△圖 2. DMD 多噴嘴系統(tǒng)。左上圖顯示了用于快速 3D 沉積的雙噴嘴技術(shù)。

與任何產(chǎn)品開發(fā)一樣，DMD打印技術(shù)也追求高速度、高質(zhì)量。DED過程通過使用高能量輸入和大光束尺寸已經(jīng)達到了這個目標，但會降低制造復雜特征的能力和工藝分辨率，同時在零件中引入非常大的變形。為了克服這一挑戰(zhàn)，DM3D的團隊采取了不同的方法，設計、制造并調(diào)試了新一代多噴嘴 DMD 系統(tǒng)（圖 2）。這種多噴嘴 DMD 系統(tǒng)的特點是：

●具有直徑 10 英尺、高度 10 英尺的圍護結(jié)構(gòu)
●使用兩個同時操作的加工頭使產(chǎn)量翻倍，并能夠再添加兩個加工頭
●獲得專利的閉環(huán)反饋控制可確保工藝穩(wěn)定性和構(gòu)建質(zhì)量
●熔池局部屏蔽同軸噴嘴，提供優(yōu)質(zhì)材料
●帶有可傾斜加工頭 (±45°) 的大型旋轉(zhuǎn)臺允許打印懸垂結(jié)構(gòu)
●大容量高進給率預熱粉斗


△圖 3. 顯示零件徑向變形的仿真（由 NASA ARC 團隊提供）。



△圖 4.DMD 制造的全尺寸 RS-25 噴嘴襯里。


△圖 5. 疊加在零件 CAD 上的 3D 掃描數(shù)據(jù)。

使大型零件打印過程成熟的下一個關(guān)鍵步驟是待制造零件的選擇和構(gòu)建過程的優(yōu)化。DMD與NASA合作，將 RS-25 發(fā)動機噴嘴襯套（底部直徑為 97 英寸，高度為 111 英寸）作為候選部件。

●構(gòu)建方法從基于實驗設計 (DOE) 的工藝配方優(yōu)化開始。
●使用 ANSYS 軟件對構(gòu)建過程進行熱、應力和變形模擬（圖 3）
●對打印幾何形狀的變形進行補償。
●成功的構(gòu)建過程（圖 4）
●最后是構(gòu)建完成后的結(jié)構(gòu)光幾何檢查（來自 Hexagon）掃描（圖 5）。

用 AM 代替 RS-25 發(fā)動機襯套的傳統(tǒng)制造方法可以將工期縮短2到10倍，并顯著節(jié)省成本（高達 50%）。NASA MSFC 的首席工程師和世界知名的 AM 專家 Paul Gradl 指出：“NASA 已經(jīng)與工業(yè)界和學術(shù)界建立了合作伙伴關(guān)系，以推進新方法的開發(fā)、工藝構(gòu)建、新型合金的開發(fā)和使用增材制造的組件演示，目標是提高技術(shù)準備水平，以便在未來的NASA任務和商業(yè)中進行應用。 “

DM3D希望這次打印大型火箭發(fā)動機部件的成功演示將為大型金屬增材制造打開大門，并直接造福于快速發(fā)展的商業(yè)航天工業(yè)。DMD技術(shù)以其快速的制造速度和較高的新設計能力，將成為當前和未來設計與制造工程師的完美工具，并加速創(chuàng)新，為社會發(fā)展帶來更大的利益。