直接エネルギー堆積 (DED):プロセス、利点、制限事項

直接エネルギー堆積 (DED) は、指向性エネルギー堆積とも呼ばれ、積層造形 (3D プリンティング) への特別なアプローチです。ソース材料上のスポットにエネルギー源を向けて少量の溶融物を作成し、その後、コンポーネント上に新しい材料を堆積させるために、この溶融物に供給材料を追加します。利用可能な DED エネルギー源、さまざまな供給システム、長所と短所の詳細については、以下で説明します。

直接エネルギー堆積 (DED) とは何ですか?

直接 (または指向性) エネルギー堆積 (DED) は、積層造形 (3D プリンティング) の方法です。エネルギー源が点に向けられ、供給材料が同じ点に導入されるため、ワークピース上に堆積できます。これは、主要コンポーネント上に金属ワイヤを溶かす（堆積させる）ロボット溶接といくつかの類似点があります。 DED デバイスは、電子ビーム、レーザー、または電気アークを使用して溶融プールを形成する場合があります。新しい材料は、ワイヤー フィラメントまたは粉末の形で提供されます。

直接エネルギー堆積 (DED) はどのように機能しますか?

直接エネルギー堆積は、製造されたコンポーネントの特定の領域を溶融温度まで加熱し、その後、供給材料を追加することによって機能します。プリントヘッドは構築経路に沿って移動し、その後、本体上に堆積された供給材料とともに溶融物が固化します。 

指向性エネルギー源 (レーザー、電子ビーム、アークのいずれか) がプリント ヘッドの中心に配置され、供給材料がそれに隣接します。供給材料は、ワイヤーフィラメントまたは粉末の形で供給できます。フィラメントは、エネルギー源の焦点で溶けるように斜めに供給されます。一方、粉末は、エネルギー源の周囲に同心円状に配置されたノズルを通って不活性ガスによって輸送され、融点に向けられます。

プリント ヘッドには複数の移動面があります。多軸 CNC ヘッドまたは多関節ロボット アームに取り付けることができます。詳細については、積層造形の種類に関するガイドを参照してください。

DED テクノロジーを使用する利点は何ですか?

DED テクノロジーを使用すると、次のような多くの利点があります。

<オル>

比較的大きなビルド ボリューム: DED マシンのプリント ヘッドは通常、多軸 CNC ヘッドまたは多関節アームに取り付けられるため、他の 3D プリント方法 (特に金属を扱う方法) と比較してかなり広い領域をカバーできます。プリントは 1 立方メートルを超える場合があります。 

複数のマテリアル: 多くの供給材料は DED 製造と互換性があります。これらは、粉末ブレンドまたは複数のフィラメントフィードのいずれかを介して導入できます。実際、マテリアルの構成はビルド中に変更できます。

材料の無駄の削減: パウダー ベッド フュージョンと比較して、プリントを完了するために必要な余分なフィード材料の量が少なくなります。

粒子構造の制御: DED を使用すると、堆積材料の粒子構造をある程度制御できます。プリント ヘッドの速度を調整することで、冷却時間を制御できます。

修理に使用できるもの: DED は、ほとんどの 3D プリント プロセスのように、新しい部品を最初から作成することに限定されません。この機械は、既存の部品に材料を直接堆積させることもできます。これは、DED を使用して、損傷または磨耗したコンポーネントを修復できることを意味します。

DED テクノロジーを使用するデメリットは何ですか?

DED テクノロジーにはいくつかの欠点があるため、すべてのケースに最適なソリューションというわけではありません。

<オル>

低解像度: 一般に、DED テクノロジは、低い詳細解像度でのみフィーチャを作成できます。これは、供給ワイヤの太さと溶融プールのサイズの関数です。解像度は印刷速度にも依存します。印刷速度が速いほど解像度は低くなります。

高い資本コスト: DED デバイスは高価です。ほとんどの場合、密閉された印刷チャンバー、真空または不活性ガスシステム、粉末供給システム用のパウダールームなどの複雑なシステムが必要です。これらは比較的新しいテクノロジーであるため、コスト削減のための改良はまだあまり施されていません。 

後処理: DED テクノロジーで製造された部品は、通常、良好な表面仕上げを実現するために後処理が必要です。これは通常、余分な堆積物を除去し、滑らかで一貫した表面を作成するために、軽い機械加工と研磨の形で行われます。

DED ではどのようなマテリアルを使用できますか?

DED はさまざまな素材で印刷できます。 DED テクノロジーで使用される材料の大部分は、チタンおよびチタン合金、インコネル®、タンタル、タングステン、および一部のステンレス鋼などの金属です。

特定の非金属も DED マシンで機能します。カーボン フィラメントを熱可塑性ポリマーに組み込んだ一種のカーボン ファイバーを印刷できます。アルミナやジルコニアのセラミックも DED とよく合います。

DED のアプリケーション例とは何ですか?

金属やその他の材料を使用した積層造形により、DED は多くの用途に適合することができますが、その中には他の 3D プリント方法のオプションではないものも含まれます。

<オル>

既存の部品の修理: DED 技術の主な目的は金属部品の修理です。この方法では、複雑な表面に新しい材料を堆積できます。速度とエネルギー源を調整することで、蒸着材料の粒子構造を元の部品の粒子構造と一致するように制御することも可能です。したがって、DED はタービン ブレードなどの高価なコンポーネントの修理に使用されます。

ニアネットシェイプ: DED は、計画された寸法に非常に近い部品を製造できます。これは、珍しい高価な材料や、切断や機械加工が非常に難しい材料を製造する場合に非常に役立ちます。

複合部品またはハイブリッド部品: DED を使用すると、異なるマテリアルを同時に印刷できます。互換性のある素材をブレンドして印刷物に組み込むことができ、その構成が印刷物全体で異なる場合もあります。

DED 部品の品質に影響を与える要因は何ですか?

DED の印刷品質は、完成品の有用性にとって非常に重要です。次の要因が品質に影響します。

<オル>

多孔性: 堆積された材料の多孔性は弱点をもたらします。細孔は本質的に内部欠陥です。粉末フィードを乾燥させて水分が入らないようにし、シールド ガスを適切に使用することで、気孔率を最小限に抑える必要があります。

スキャン速度: ヘッドが造形パスに沿って移動する速度は、溶融プールのサイズ、冷却速度、ひいては粒子構造に影響を与えます。総合すると、これらすべてが部​​品の品質に影響を与えます。最適な速度は、使用する材料と目的の粒子構造によって異なります。

パワー: エネルギー源によって提供される電力は溶融物に直接影響を与え、スキャン速度に関係します。 DED プリント ヘッドがビルド パスに沿って移動する場合でも、コンポーネントへのエネルギー伝達はホスト材料を適切に溶解するのに十分でなければなりません。出力が十分でない場合、印刷品質は満足のいくものにはなりません。 

DED テクノロジーの実装における一般的な課題は何ですか?

DED テクノロジーは複雑で実装が困難です。 

<オル>

高い資本コスト: DED テクノロジーの導入における大きな障壁の 1 つは、そのセットアップに必要な多額の初期投資です。 

熟練した技術者の不足: DED システムを効率的かつ正確に実行するには、熟練した経験豊富なオペレーターが必要です。成長分野であるため、熟練した技術者の確保が困難です。新しい人を雇うのではなく、社内で人材をトレーニングすることを選択することもできますが、それでも迅速でも安価でもありません。 

新しい設計アプローチ: DED テクノロジを使用して構築されるコンポーネントを設計するときは、プリント ヘッドがどのように動くかを常に考慮する必要があります。最初からそのように設計されていない場合、多くの部品は DED で製造される前に再設計が必要になります。このプロセスにより、毎回労力と作業時間が追加されます。

標準の欠如: 一般に、積層造形はまだ比較的新しい技術であり、新しい技術的アプローチが毎年開発されています。これらのシステムのデジタル情報管理、設計、製造プロセスでは標準化がほとんど行われていません。

DED 機器を選択する際に考慮すべき点は何ですか?

どの DED デバイスを購入するかを決定するには、かなりの量の調査と検討が必要です。 DED 機器を選択する際には、調査すべき重要な側面が多数あります。

<オル>

素材の互換性: 決定の最も重要な部分は、機器でどのような素材を印刷すると予想されるかです。セラミックを印刷できる機械は、金属専用の機械とは大きく異なります。 

ビルドボリューム: もう 1 つの重要な考慮事項は、製造が予想される最大のコンポーネントです。これにより、DED 機器の全体的なビルド量が決まります。 

精度: コンポーネントの種類と計画している後処理によっては、その精度に基づいて装置を選択する必要がある場合があります。より大型で高速なマシンと、より優れた精度を備えたマシンとのトレードオフを考慮する必要があるかもしれません。 

DED は従来の製造方法とどう違うのですか?

DED は、ほとんどの標準的な製造オプションよりも最終形状 (ニアネットシェイプ) にはるかに近いコンポーネントを構築できます。したがって、完成品を完成させるために使用する材料がはるかに少なくなります。従来の製造方法では、サブトラクティブ製造法を使用して彫刻される原材料のブロックが必要です。最終部分に到達するために素材を削除します。この材料の除去により、切りくずや削りくずとして大量の材料廃棄物が発生します。したがって、DED は、材料の使用という点で従来の方法よりも効率的です。

DED プロセスでは、プリント ヘッドの多軸動作と、コンポーネントを一度に 1 層ずつ段階的に構築する性質により、より複雑な部品を生成することもできます。伝統的に製造されたアイテムは、形状の点でより制限されています。通常、複雑な部品は一連の小さな部品として構築され、後で組み立てられる必要があります。 

DED テクノロジーに関する環境上の懸念は何ですか?

積層造形全体が環境に与える影響は、まだ調査中です。 DED を含む積層造形技術に関する最も一般的な環境問題は、高いエネルギー需要です。最も効率的な製造プロセス (典型的なサブトラクティブ法と新しいアディティブ プロセスの間) の選択は、製造する部品の複雑さと量によって決まります。

DED の種類は何ですか?

現在、DED テクノロジーには 3 つの異なるバリエーションがあります。それらは、飼料材料を溶かすために使用されるエネルギー源に従って分類されています。

1.プラズマまたは電気アークベースの DED

電気アークがプリントヘッドとワークピースの間に生成されます。ワイヤー アーク積層造形 (WAAM) は、主要なアークベースの方法の 1 つです。 

2.レーザーベースの DED

このバリエーションでは、光学レーザーがエネルギー源として使用され、レーザー エンジニアリング ネット シェーピング (LENS) とも呼ばれます。ネットシェイプ製造とは、元の製造部品が完成 (ネット) 寸法に非常に近いことを意味します。 LENS では、酸化を防ぐために材料の堆積を不活性環境で行う必要があります。これは、製造チャンバーを不活性ガスで完全にパージするか、堆積ポイントの周囲にシュラウドとしてシールド ガスの供給を継続的に流す必要があることを意味します。

3.電子ビームベースの DED

電子ビームは、電子ビーム積層造形 (EBAM) として知られるアプローチで、飼料を溶かすためのエネルギーを提供するために使用されます。電子が空気分子と相互作用するのを防ぐために、この DED プロセスは真空中で行われる必要があります。

DED のフィードの種類とは何ですか?

各 DED デバイスは、次の 2 つの供給方法のいずれかを使用して材料を部品の表面に供給します。

1.粉末ベースの DED

粉末供給の場合、エネルギー源を提供するノズルには、その周囲に同心円状に配置された材料供給ノズルも含まれており、粉末を堆積点に向けます。不活性ガス流を使用して粉末を供給し、不活性ガスはさらに、溶融材料と周囲との間の酸化またはその他の化学反応を抑制するように作用します。 

2.ワイヤーベースの DED

ワイヤベースの DED は、供給材料がワイヤ フィラメントとして提供されるという点で溶接に似ています。このワイヤは、エネルギー源の横から角度を付けて、堆積速度によって決まる一定の速度で供給されます。