3D 打印技术类别：Directed Energy Deposition — 定向能量沉积 包含：LMD / LENS（激光金属沉积）、DMG MORI Hybrid AM（激光 + 五轴铣削）、Sciaky EBAM（电子束丝材）、WAAM（电弧丝材）
一、中文总结
1. 基本定义
DED 与 PBF 最大的区别：
- PBF：先铺粉 → 再熔融（两步分离）；
- DED：送料（粉末或丝材）与能量同时作用，材料在喷嘴处一边输送一边被能量束熔融，直接沉积在基材上。
DED 常见别称：Direct Metal Deposition、Laser Powder Deposition、Direct Laser Deposition、Laser Deposition Welding、Laser Metal Deposition（LMD）等。
2. DED 的分类
| 能量源 \ 送料形式 | 粉末（Powder） | 丝材（Wire） |
|---|---|---|
| 激光（Laser） | LMD / LENS（BeAM、Optomec、Trumpf）；DMG MORI Hybrid | Laser Wire DED（较少见） |
| 电子束（Electron Beam） | —（少数 PBF 型） | Sciaky EBAM |
| 电弧（Arc） | — | WAAM（GMAW / GTAW / PAW） |
3. BeAM — LMD（Laser Metal Deposition）
3.1 厂商简介
- BeAM（Be Additive Manufacturing），法国 2012 年成立；
- 欧洲首家商业化 LMD 机器厂商（前身 EasyCLAD，由 IREPA LASER 研发）。
3.2 过程
- 由 BeAM 自研 CAD/CAM 生成刀路，可仿真构建或修复过程；
- 金属粉末从专用喷嘴与激光同轴喷射；随路径逐层沉积；
- 一层完成后，喷嘴/平台移动到下一层位置；
- 循环直到成形；通常需要额外后处理精加工；
- 整个过程在 氩气保护 气氛中进行，激光束周围还有 保护气套（shielding gas）。
3.3 关键过程参数
- 激光功率、扫描速度、送粉量、层厚、道间距、基板预热、气体流量、喷嘴高度等；
- 主要物理现象：粉末注入、熔池动力学、凝固、对流、热传导、残余应力。
3.4 材料
钢、镍基合金、钴基合金、钛合金（注意：并非所有 DED 都能打印钛）。
3.5 优缺点
- 优点：
- 材料性能优越 — 全致密金属件；
- 可成形复杂功能件；
- 可在已有零件上添加材料（修复磨损 / 损伤件、添加新特征）；
- 可混合多种粉末 → 功能梯度材料、新合金；
- 粉末粒度范围宽 → 粉末成本低。
- 缺点：
- 几何复杂度 < SLM；
- 表面粗糙 > SLM；
- 激光光斑大 → 熔池大 → 尺寸精度不如 PBF。
3.6 应用
直接制造、修复以前无法修的金属件、在已有件上加功能、功能梯度结构。
4. Optomec — LENS（Laser Engineered Net Shaping）
- 常用于 高价值金属件修复；
- 涡轮叶片修复：叶尖损伤对发动机性能影响大 → 扫描 → 数字化 → 网格化重建 → LENS 补焊；
- 节能 36%、减碳 45%（相比重新制造一片新叶）；
- Optomec 全球客户已累计修复 >1000 万片涡轮叶片。
5. DMG MORI — Hybrid AM（激光沉积 + 五轴铣削）
5.1 简介
- 代表机型：LASERTEC 65 3D（DMG MORI SAUER）；
- Hybrid = Additive + Subtractive：激光沉积焊接 + 5 轴铣削集成在一台机器内。
5.2 原理
- 金属粉末通过同轴喷嘴喷出并被激光熔化 → 与基材高强度冶金结合，无孔、无裂纹；
- 喷嘴周围有保护气防止氧化；
- 层层沉积之间 交替铣削：对普通完成件无法触及的内腔 / 复杂曲面做精加工。
5.3 材料
- 钢、不锈钢、镍基合金等可焊接金属；
- 不能打印钛、铝、镁、非可焊钢 — 腔体非惰性气氛，未充氩气。
5.4 优缺点
- 优点：
- 比 PBF 快 10 倍；
- 可打印 3D 轮廓无需支撑（铣削可替代）；
- 沉积 ↔ 铣削交替 → 可精加工后期无法触及的位置；
- 可多材料。
- 缺点：
- 工艺极复杂，需深度理解工作流；
- 刀路规划复杂，需要专门软件；
- 可用材料受限（腔体非惰性）。
5.5 应用
火箭喷管、航空发动机、油井管、大型旋转轴等；最大工件 Φ1010 × 3702 mm。
6. Sciaky — EBAM（Electron Beam Additive Manufacturing）
6.1 厂商与演进
- Sciaky 1939 年成立（焊接设备商），1994 年被 PSI 收购；
- 1995 年启动电子束 + 丝材研究；
- 2009 年推出 EBDM 服务；
- 2014 年交付商用 EBAM 系统。
6.2 原理
- 真空腔内电子枪加热 + 金属丝送料；
- 熔积速率 7–20 lbs/h（3.18–9.07 kg/h）；
- 部件尺寸从毫米到数米，仅受真空腔尺寸限制 → 适合大型件 near-net-shape；
- 成形后需热处理 + 机加工精修。
6.3 独有技术
- CLC（Closed-Loop Control） 专利：实时监测沉积过程并调整参数；
- 双丝送料：两种合金在同一熔池混合 → 定制合金 / 功能梯度；可随打印调整比例；
- 可在粗丝 / 细丝间切换以平衡粗 / 精沉积。
6.4 材料
- 适用可焊且可拉丝的金属；丝径 0.9–4.0 mm；
- 钛及钛合金、Inconel 625/718、钽、钨、铌、300 系不锈钢、2319/4043 铝、4340 钢、锆合金、铜镍合金。
6.5 优缺点
- 优点：
- 大件快速、低成本；
- 多材料 / 混合合金；
- 沉积速率远超其他 DED；
- 丝材利用率接近 100%，浪费少；
- 丝材比粉末便宜且不易燃。
- 缺点：
- 分辨率差、不适合精细特征；
- 无支撑 → 难做复杂内腔；
- 仅可焊金属。
6.6 应用
飞机结构件、发动机、火箭 / 导弹、油气设备、涡轮叶片、核部件、难熔金属件、装甲材料、医疗设备、关键面包覆、工具修复、船舶推进等。
7. WAAM（Wire and Arc Additive Manufacturing，电弧丝材 AM）
7.1 背景
- 将电弧焊（电弧热源 + 丝材填料）从 2D 焊接扩展到逐层 3D 打印；
- 自 1990 年代起被研究；使用 标准、现成的焊接电源 / 焊枪 / 送丝系统；
- 典型焊接工艺：
- GMAW（Gas Metal Arc Welding）：消耗性电极与焊枪同轴，刀路简单；适合铝、钢；
- GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）：非消耗性钨电极，送丝方向可变；用于钛（避免弧飘移）；
- PAW（Plasma Arc Welding）：等离子电弧，用于钛（如 Norsk Titanium）。
7.2 过程
- 工艺规划：3D 切片软件生成机器人运动与焊接参数，自动优化路径避免缺陷；
- 沉积：机器人 + 外部轴控制焊枪逐层成形；先进系统带传感器监测焊接信号、熔道几何、金属转移、层间温度，支持在线监控；
- 后处理：near-net-shape 后热处理、机加工。
7.3 材料
- GMAW：铝、钢；不适合钛（会 arc wandering）；
- GTAW / PAW：钛（如 Norsk Titanium 使用 plasma 在 Ar 气氛中熔化钛丝）。
7.4 优缺点
- 优点：
- 设备成本低（标准焊接设备）；
- 丝材便宜；
- 大件（>10 kg、1000–3000 mm，钢 / 铝几乎无尺寸上限）；
- 沉积速率高（1–4 kg/h，可达 10 kg/h）。
- 缺点：
- 几何复杂度低；
- 分辨率差、表面粗糙；
- 残余应力和热输入变形大 — WAAM 尺寸公差主要误差源。
7.5 典型应用
- RAMLAB：全球首个获船级社认证的 3D 打印船用螺旋桨；
- MX3D：阿姆斯特丹运河 全功能不锈钢 3D 打印桥。
8. PBF vs DED 对比
| 维度 | PBF | DED |
|---|---|---|
| 物料形态 | 铺粉层 | 同轴送粉 / 送丝 |
| 层厚 | 20–100 µm | 0.25–0.5 mm |
| 激光光斑 / 熔池 | 小 | 大 |
| 粉末粒度 | 细（10–63 µm） | 偏粗 |
| 分辨率 / 表面 | 好 | 粗糙 |
| 几何复杂度 | 高（可做内腔） | 中低 |
| 尺寸 | 受腔体限制、通常较小 | 可做超大件 |
| 独有能力 | 复杂内腔、随形冷却 | 修复 / 添加特征 / 功能梯度 / 大件 |
9. DED 的独特能力
- 修复与再制造（Repair / Remanufacture）— 涡轮叶片、模具、齿轮等；
- 已有件上添加新特征（Add feature）；
- 梯度材料 / 多材料（Sciaky 双丝、BeAM 多粉混合）；
- 超大件（WAAM：桥、螺旋桨）。
10. 焊接与 DED 的关系
- 焊接：施加热量（有无压力与填料）连接同种或异种金属 —— 是 DED 的物理基础；
- 从焊接到打印：把一层焊缝→多层堆叠→机器人控制路径即成 3D 打印；
- 因此 DED 又被称为 “Laser Deposition Welding”。
二、English Summary
1. Definition
DED deposits material (powder or wire) and melts it with a focused energy source simultaneously at the nozzle, unlike PBF which spreads powder first, then melts.
2. Classification
| Source \ Feedstock | Powder | Wire |
|---|---|---|
| Laser | LMD / LENS (BeAM, Optomec, Trumpf), DMG MORI Hybrid | Laser Wire DED |
| Electron beam | — | Sciaky EBAM |
| Electric arc | — | WAAM (GMAW/GTAW/PAW) |
3. BeAM LMD
Coaxial powder nozzle + laser + argon shielding. Pros: fully dense, repair existing parts, blend multi-powders for functional gradients, lower powder cost. Cons: limited complexity vs PBF, rougher surface, larger melt pool → lower accuracy.
4. Optomec LENS
Specializes in high-value part repair. Turbine blade tip repair: 36% energy savings, 45% carbon reduction; >10 million blades refurbished worldwide.
5. DMG MORI Hybrid AM (LASERTEC 65 3D)
Laser deposition + 5-axis milling alternated. Pros: ~10× faster than PBF, no supports needed (milling reaches hard spots), multi-material. Cons: complex process & tool paths, cannot run Ti/Al/Mg/non-weldable steel (no inert chamber). Applications: rocket nozzles, oil pipes, large aerospace shafts.
6. Sciaky EBAM
Electron beam + wire in a vacuum chamber, deposition rate 7–20 lb/hr. Patented Closed-Loop Control and dual-wire feed (blend alloys, functionally graded). Materials: Ti, Inconel, Ta, W, Nb, stainless, Al, Cu-Ni. Pros: huge parts, fast deposition, near-100% utilisation, cheaper wire. Cons: poor resolution, no supports, only weldable metals.
7. WAAM
Uses standard welding equipment (GMAW/GTAW/PAW) + robotic torch motion. 3D slicing software plans weld paths; sensors monitor interpass temp, bead geometry, transfer mode. Pros: low equipment/material cost, very large parts (>10 kg, 1–3 m), 1–4 kg/h (up to 10 kg/h) deposition. Cons: low complexity, rough surface, significant residual stress/distortion. Applications: RAMLAB marine propeller, MX3D Amsterdam bridge.
8. PBF vs DED
PBF: powder bed, 20–100 µm layers, small melt pool, fine resolution, complex internal geometries. DED: coaxial feed, 0.25–0.5 mm layers, large melt pool, rough finish, unique ability to repair, add features, build gradients, and produce very large parts.
9. Welding → 3D Printing
DED conceptually extends welding (heat + filler material) from 2D joining to 3D layered deposition via robotic path control.
三、速记要点 / Quick Recall
- DED 与 PBF 的本质区别：送料 + 能量同时在喷嘴处作用。
- DED 四大代表：BeAM LMD / Optomec LENS（粉末 + 激光）、DMG MORI Hybrid（粉末激光 + 铣削）、Sciaky EBAM（丝 + 电子束 + 真空）、WAAM（丝 + 电弧）。
- DMG MORI 不能打印钛 / 铝 / 镁（腔体非惰性）；EBAM 在真空中可打钛 / Inconel。
- WAAM 用 现成焊接设备、沉积率最高、件最大（米级），但残余应力大。
- DED 独有四大能力：Repair、Add feature、Gradient/Multi-material、Large part。
- 层厚差别：PBF 20–100 µm vs DED 250–500 µm。
