大型零件的增材制造

尽管激光粉末床融合(PBF)有很多优点，但最大局限在于可以在构建外壳中可打印的零件尺寸。但由于各种各样的原因，大多数商业激光粉末床融合(PBF)系统只能提供一个250 mm×250 mm×325 mm(约为10 in×10 in×12 in)的建造外壳，不过一些激光粉末床融合(PBF)系统可以容纳更高的部件，且更大的系统也正在开发中。例如通用电气的概念激光X射线2000R拥有一个800 mm×400 mm×500 mm的建造外壳，该公司计划建造一个至少1.1 m×1.1 m×0.3 m的系统。

激光粉末床融合(PBF)系统限制构建外壳尺寸的原因之一，是填充机器所需粉末的成本。填充一台激光粉末床融合(PBF)系统所需的粉末量等于lxwxh(构建板的面积乘以部件的高度)，无论在构建板上制造多少个零件，都必须往机器里装那么多的粉末。因此，最高部件的高度决定了填充机器所需的粉末体积，而与生产量无关。

虽然更大的构建板或更高的构建高度当然是可能的，但粉末的成本很快就会变得非常高。作者在宾州州立大学(Penn State)金属增材制造实验室CIMP- 3D的两位同事估计，大约3～4年前，在一块10 in×10 in的构建板上，用Ti-6Al-4V制作一个6 in高的组件需要成本近5万美元的粉末。而自那时起，Ti-6Al-4V粉末的成本已经下降了30%～40%，但这仍然是一个过高的成本，无论是在一个给定的构建板上制造数百个部件中的其中一个，都必须支付这个成本。

那么，企业如何能够负担得起直接使用增材制造(AM)来生产更大的部件?直接能量沉积(DED)是一种很有前途的激光粉末床融合(PBF)替代方法。在增材制造(AM)过程中，激光(或电子或等离子)束被用来创建一个能注入粉末和注入金属丝的熔池。当粉末或金属丝进入熔池时，被加热并熔化，与相邻的材料和下面的层相结合，然后随着熔池的移动迅速凝固。

因为直接将粉末或金属丝放入熔池中，所以不必像使用激光粉末床融合(PBF)那样填满整个构建外壳。在这种情况下，材料成本直接与零件的体积成比例。当然，根据激光参数，粉末捕捉率(喷嘴喷出的粉末量与熔体池中捕获的粉末量之比)一般在40%～80%，但即使这样，也只需要分别用2.5～1.25倍的粉末，来构建带有直接能量沉积(DED)的部分，而不是由构建高度所定义的粉末体积。如果是金属丝应当会更好，因为熔池的大小可以融化整个金属丝。

在零件尺寸方面的另一个大挑战是制造速度，直接能量沉积(DED)的性能又一次超过了粉末床融合(PBF)。激光粉末床融合(PBF)在制造部件时通常使用50～100 μm的目标尺寸，然而，在基于激光的直接能量沉积(DED)系统上，目标尺寸在商用系统上可以在0.5～3.0 mm。较大的光斑尺寸意味着较高的沉积速率，这意味着更快的构建。其中速度最快的直接能量沉积(DED)系统是Sciaky公司的电子束增材制造(EBAM)系统，该系统利用电子束熔化的金属丝，每小时可沉积15～20 lb钛(如图)。Richard Martukanitz博士是宾州州立大学CIMP–3D的主任，他提供了一个关于不同沉积速率的比较方法。

用激光和电子束进行的激光粉末床融合（PBF）和直接能量沉积（DED）的相对沉积速率。（Ev表示能量/体积，P表示功率，r表示半径，V 表示速度）

那么，直接能量沉积(DED)的缺点是什么?想象自己正在粉刷房间的墙壁，粉末床融合(PBF)就像一把在刷墙的非常精细的油漆刷。在粉刷墙角和边缘需要非常精确，但要粉刷墙壁本身需要很长时间。另一方面，直接能量沉积(DED)就像使用一个滚轮，它覆盖了很多区域，速度很快，但是在墙角和边角上就没办法很准确。因此，直接能量沉积(DED)可以用更少的材料更快地制造零件，但直接能量沉积(DED)零件将需要大量的加工和精加工以满足公差的要求。

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