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Ein Leitfaden zu Direct Energy Deposition (DED) im 3D-Druck

Auf 10. September 2019 von Lukas Johannes B. veröffentlicht
direct energy deposition

Direct Energy Deposition (DED) ist ein komplexerer 3D-Druckprozess, der typischerweise zur Reparatur oder zum Hinzufügen von zusätzlichem Material zu bereits bestehenden Komponenten eingesetzt wird. Mit dieser Technologie ist es durchaus möglich, Teile von Grund auf neu herzustellen, aber ihr Hauptanwendungsbereich liegt dennoch in industriellen Anwendungen wie der Reparatur von Turbinenschaufeln oder beschädigten Propellern.

Ähnlich wie bei einigen PBF-Technologien (Powder Bed Fusion) (wie LPBF oder EBM) verwendet Direct Energy Deposition eine fokussierte Energiequelle, wie beispielsweise einen Laser- oder Elektronenstrahl, um das Material zu schmelzen. Das Material wird jedoch gleichzeitig mit der Abscheidung durch eine Düse geschmolzen. In gewisser Weise ist die Technologie an der Grenze zwischen der Materialextrusion und Powder Bed Fusion.

Sie sollten beachten, dass diese Technologie oft mit anderen Namen wie Laser Engineered Net Shaping (LENS), Direct Metal Deposition (DMD), Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM), etc. bezeichnet wird, je nach Anwendung oder Verfahren.

Direct Energy Deposition

Quelle: BeAM

Wie funktioniert die Technologie Direct Energy Deposition?

Wie bei jeder 3D-Drucktechnik beginnt die Konstruktion eines Teils mit der Erstellung des 3D-Modells mittels CAD-Software. Das Teil wird dann von der Slicer-Software in eine Vielzahl von Schichten geschnitten, die die verschiedenen Materialschichten darstellen, die zum Erstellen des Teils benötigt werden.

Die Technik funktioniert folgendermaßen: Material wird auf eine Basis oder ein Bauteil aufgetragen, dies geschieht mittels einer Düse, die auf einem mehrachsigen Arm montiert ist (normalerweise 4 oder 5). Das der Düse zugeführte Metallmaterial wird entweder in Pulver- oder Drahtform bereitgestellt. Beim Abscheiden schmilzt eine Wärmequelle das Material gleichzeitig, meist mit einem Laser, Elektronenstrahl oder Plasmalichtbogen. Dieser Vorgang wird wiederholt durchgeführt, bis die Schichten verfestigt und somit ein Objekt erstellt oder repariert wurde.

direct energy deposition

Das additive Herstellungsverfahren nach DED, in diesem Fall mit einem Elektronenstrahl – Quelle: Dassault Systèmes

Bei elektronenstrahlbasierten Systemen muss der Prozess im Vakuum durchgeführt werden, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Luftmolekülen interagieren oder von ihnen abgelenkt werden. Laserbasierte Systeme erfordern eine vollständig chemisch inerte Kammer, wenn sie mit reaktiven Metallen arbeiten, was eine erhebliche Menge an Gas und Zeit erfordert, um die gewünschten Sauerstoffwerte zu erreichen. Alternativ kann auch ein Schutzgasmantel verwendet werden, der ausreicht, um das abzuscheidende Metall vor Verunreinigungen zu schützen.

Materialien und Anwendungen

Es ist wahr, dass dieses Verfahren typischerweise bei der Verarbeitung von Metallen eingesetzt wird, entweder in Form von Pulver oder Draht. Es ist jedoch auch möglich, DED mit Polymeren und Keramiken einzusetzen. So verwendet AREVO beispielsweise Polymer DED mit einem Filament aus Kohlefaser, um leichte Verbundteile für Endanwendungen herzustellen. Das thermoplastische Filament wird durch eine Wärmequelle geschmolzen und durch eine Walze verdichtet, um die Schichten des Objekts zu erzeugen.

Bei Metallen kann fast jedes schweißbare Metall mit DED in 3D gedruckt werden. Dazu gehören Titan und Titanlegierungen, Inconel, Tantal, Wolfram, Niob, Edelstahl, Aluminium, etc. Der verwendete Draht hat einen Durchmesser von typischerweise 1-3 mm und die Partikelgrößen sind ähnlich wie bei pulvermetallurgischen Prozessen, zwischen 50 und 150 Mikrometern.

Wie bereits erwähnt, ist eine der einzigartigen Anwendungen dieser Technologie, dass es möglich ist, beschädigte Metallteile zu reparieren. Laut ASTM International: „DED ist in der Lage, relativ große Teile (Bauvolumen > 1000 mm³) herzustellen, die nur minimalen Einsatz von Werkzeugen und relativ wenig Nachbearbeitung erfordern. Darüber hinaus können mit Hilfe von DED-Prozessen Komponenten mit Zusammensetzungsgradienten oder Hybridstrukturen aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Strukturen hergestellt werden.“

Pulver aus Metall – Quelle: Trumpf

Die wichtigsten Teilnehmer auf dem Markt

Heute zählt der Markt eine ganze Reihe von Herstellern von DED-3D-Druckern. BeAM ist einer der Hauptakteure in diesem Bereich, sie bieten drei Lösungen an: Magic 80, Modulo 250 und 450, die alle mit Lasern als Wärmequelle arbeiten. Andere Hersteller, die Laser-DED-Maschinen herstellen, sind Trumpf, Optomec, FormAlloy, DMG Mori, InssTek, Relativity, etc.

Im Bereich der Elektronenstrahl-DED-Systeme ist EBAM eine von Sciaky Inc. kommerzialisierte Technologie, die bis zu 5 verschiedene Maschinen und auch die Möglichkeit bietet, Ihr individuelles System zu erstellen. Ein weiterer Hersteller ist die Evobeam GmbH. Zu den Herstellern von Plasmalichtbogen-DED-3D-Druckern gehören Norsk Titanium, WAAM, GEFERTEC, Prodways und Lincoln Electric.

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