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May 24, 2023

Was ist DED und warum sollten Sie es verwenden? Teil eins

Von: Robert Bowerman Robert Bowerman ist Technologieberater bei Autodesk

Von: Robert Bowerman

Robert Bowerman ist Autodesk-Technologieberater im Bereich der additiven Fertigung und arbeitet mit Entwicklungsteams, Industriepartnern und Hardwareanbietern zusammen, um die additive und hybride Metallfertigung durch die Schaffung benutzerfreundlicher, zugänglicher und integrierter Software-Workflows zu demokratisieren.

Was ist DED und warum sollten Sie es verwenden? Teil eins

Während Sie wahrscheinlich mit Fused Filament Fabrication (FFF) und vielleicht Power Bed Fusion aus Kunststoff oder Metall vertraut sind, besteht die Möglichkeit, dass Sie mit Directed Energy Deposition (DED) weniger vertraut sind. Angesichts einer wachsenden Benutzerbasis, einer Zunahme der zugänglichen Hardware und einer Vielzahl von Anwendungen sollten Sie sich um diese Technologie und ihre Vorteile für die Fertigungslieferkette kümmern.

Was ist DED?

DED ist ein additives Metallfertigungsverfahren, bei dem geschmolzenes Metall selektiv in Schichten aufgetragen wird, um vollständig dichte Komponenten zu bilden. Sie haben vielleicht schon von WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), LMD (Laser Metal Deposition), LENS (Laser Engineered Net Shape), DMD (Directed Metal Deposition) oder einem anderen Akronym gehört, aber lassen Sie sich nicht verwirren, diese kommen häufig vor Es sind lediglich proprietäre Namen, die Gerätehersteller verwenden, um ihr Angebot zu differenzieren. Obwohl es viele Namen gibt, gibt es für die Technologie nur wenige Variationen.

Im Allgemeinen erfordert ein DED-System drei Hauptkomponenten; ein Manipulator, um zu steuern, wo das Metall abgelagert wird, eine Materialzufuhr und eine Energiequelle zum Schmelzen dieses Materials. Der Manipulator ist in der Regel ein CNC-Portal oder ein Roboter. Das Material liegt entweder in Draht- oder Pulverform vor und die Energiequelle ist entweder ein Laser oder ein Lichtbogen (Elektronenstrahlen können ebenfalls verwendet werden, sind jedoch aufgrund ihrer Kosten weniger verbreitet).

Im Vergleich zu anderen Metall-AM-Prozessen ermöglichen die höheren Abscheidungsraten von DED dem Prozess die Herstellung größerer Komponenten (häufig 1m+), der Kompromiss zu diesem Produktivitätsniveau ist die Teileauflösung. Mit dem Aufkommen der neuen DED-Hardware sehen wir jedoch, dass die Möglichkeiten der Technologie erweitert werden und in manchen Fällen mit den Details konkurrieren, die mit einem Pulverbettsystem erreicht werden können.

Die höheren Abscheidungsraten des Prozesses können zu einer schlechteren geometrischen Genauigkeit, Merkmalsauflösung und Oberflächentextur führen. Daher werden von DED hergestellte Komponenten häufig nach der Abscheidung bearbeitet, um ein endgültiges Finish zu erzielen. Dieser Bearbeitungsbedarf und die relativ einfache Integration der Technologie in bestehende Fräsplattformen haben zum Aufkommen von Hybridmaschinen geführt (d. h. einer Maschine mit sowohl additiven als auch subtraktiven Fähigkeiten). Oft bestehen diese Maschinen aus mehr als drei Achsen und eröffnen so eine Fülle von Möglichkeiten, Material über die herkömmlichen Einschränkungen planarer Schichten hinaus aufzubringen.

Was sind die Vorteile des Mehrachsendrucks?

Viele kostengünstige 3D-Drucker aus Kunststoff verfügen über eine 3-Achsen-Konfiguration. 3-Achsen-Drucker haben sich als erschwinglich und zuverlässig erwiesen und verfügen über zahlreiche verfügbare Software-Slicing-Optionen. Allerdings hat dieser Erfolg auch die Möglichkeiten des 3D-Drucks eingeschränkt; Um das Drucken überhängender Flächen zu ermöglichen, sind Stützstrukturen erforderlich, Teile können nur auf ebenen Flächen und nicht auf bereits vorhandenen Geometrien aufgebaut werden, nach oben gekrümmte Flächen leiden unter dem Stufeneffekt. Mit dem Aufkommen neuer 3D-Drucksysteme und der zunehmenden Beliebtheit der Integration von Abscheidungsköpfen in CNC-Fräsmaschinen und Roboterarmen stehen eine Reihe neuer Druckmöglichkeiten zur Verfügung, und die DED-Technologie nutzt seit einiger Zeit mehrachsige Werkzeugwege.

Warum DED?

Viele der allgemeinen AM-Vorteile gelten auch für DED, aber warum sind Unternehmen heute wirklich an der Technologie interessiert und welche zukünftigen Chancen bietet sie?

Bei Autodesk haben wir im letzten Jahrzehnt mit einer Vielzahl von Endbenutzern aus der gesamten Branche zusammengearbeitet. Wie bei vielen Metalladditiven gehörten die meisten Anwendungen zunächst zur Luft- und Raumfahrt, und in den darauffolgenden Jahren haben wir gesehen, dass sie sich auf die Schifffahrt, die Öl- und Gasindustrie, den Formen-/Werkzeugbau, die Verteidigung und die Schwerindustrie ausgeweitet haben. Während die Anwendungen, Legierungen und Teilegrößen variieren, lassen sich die meisten Geschäftsszenarien in diesen Branchen in zwei Schlüsselbereiche zusammenfassen: Aufrechterhaltung oder Steigerung des Wettbewerbsvorteils und Verbesserung der Nachhaltigkeitsbilanz, wohl in dieser Prioritätsreihenfolge.

Heute kann DED Wettbewerbsvorteile erzielen, indem es die Entwicklungszyklen und Produktionsvorlaufzeiten von Teilen verkürzt, die Markteinführungszeit verkürzt und die Notwendigkeit der Ersatzteillagerung verringert. In Zukunft könnte die Technologie zur Herstellung leistungsstarker Mehrwertkomponenten eingesetzt werden und dabei die größeren Design- und Materialfreiheiten nutzen, die die Technologie bietet. Zum Beispiel die Optimierung eines Bauteils hinsichtlich struktureller oder thermischer Belastung oder die Herstellung eines Teils in einer individuellen Legierung oder Kombination mehrerer Legierungen.

Auch heute ermöglicht DED eine verbesserte Nachhaltigkeitsbilanz durch eine Verbesserung der Materialeffizienz im Herstellungsprozess, d. h. das abgeschiedene Teil (bekannt als endkonturnahes Form-, Vorform- oder Ablagerungsmodell) erfordert deutlich weniger Materialabtrag, um ein fertiges Teil zu erhalten im Vergleich zur Bearbeitung eines Teils aus einem Materialblock. Hier ist jedoch Vorsicht geboten und der gesamte Lebenszyklus einer Komponente muss berücksichtigt werden, um die Umweltverträglichkeit eines Prozesses oder einer Komponente wirklich zu verstehen. Künftig bieten DED- und AM-Anlagen ein dezentrales Produktionsmodell, das heißt, Teile müssen nicht mehr in einer einzigen Fabrik hergestellt und an ihren Endverwendungsort geliefert werden, sondern können bei Bedarf vor Ort produziert werden. Dies führt zu einer Reduzierung des verkehrsbedingten Kohlenstoffs.

Was sind die aktuellen Anwendungsfälle?

Die heutigen Anwendungsfälle der Technologie passen gut zu den Vorteilen, die das Verfahren bietet. Sie lassen sich grob in drei Kategorien einteilen: die Ergänzung bestehender Lieferketten, die Reduzierung von Ersatzteilen oder die Neufertigung und Störung von Industrien.

Ergänzung von Lieferketten: Die Luft- und Raumfahrt ist seit langem der führende Befürworter dieses Anwendungsfalls (und möglicherweise von DED im Allgemeinen). Lieferketten in der Luft- und Raumfahrt verbrauchen eine erhebliche Menge hochwertiger Legierungen und streben daher danach, die Materialverschwendung im Herstellungsprozess zu reduzieren. Hinzu kommt, dass exotische Legierungen oft schwer zu bearbeiten sind (d. h. langsam und viele teure Werkzeuge erfordern). Durch die Reduzierung der Materialmenge, die Sie schneiden müssen, sparen Sie viel Geld. Um diese Vorteile zu erzielen, insbesondere bei strukturellen Flugzeugelementen, werden Unternehmen durch einen Schmiedeprozess eine endkonturnahe Komponente herstellen und nur minimales Material entfernen, um das endgültige Teil zu erhalten. Das Problem hierbei ist die Zeit, die bis zum Erhalt dieser Schmiedeteile benötigt wird, was Monate dauern kann, sowie das Ausmaß an Inflexibilität und weiteren Verzögerungen, wenn es beispielsweise zu einer Designänderung kommt. Hier setzt DED an und kann als Ergänzung zum Angebot an Schmiedeteilen agieren.

Wiederherstellung und Reduzierung von Ersatzteilen: DED bietet eine fantastische Lösung für die Wiederaufbereitung verschlissener Teile. Dies kann eine hochwertige Luft- und Raumfahrtkomponente (hier werden häufig Turbinenschaufeln und Blisks verwendet) oder ein Teil eines Formwerkzeugs sein. zB für eine Automobilanwendung. Wenn eine Komponente nicht überholt werden kann und ein Ersatz erforderlich ist, kann es in einigen Branchen zu langen Ausfallzeiten der Ausrüstung kommen, während der Ersatz beschafft wird. In der Schifffahrtsindustrie wird dieses Problem durch die Führung eines Ersatzteillagers gelöst. Wie Sie sich vorstellen können, ist dies jedoch eine äußerst ineffektive Raumnutzung. Hier bietet DED die Möglichkeit, die physische Lagerung zu reduzieren und sie durch eine digitale Bibliothek von Ersatzteilen zu ersetzen, die von jedem System bei Bedarf am benötigten Ort produziert werden können. Unternehmen wie das Ramlab erkunden diese Möglichkeiten aktiv mit Industriepartnern.

In den letzten Jahren haben wir den Aufstieg neuer Organisationen erlebt, die in etablierten Branchen auftauchen und versuchen, die etablierten Unternehmen zu stören. Diese jungen, schnelllebigen Unternehmen nutzen die oben genannten technologischen Vorteile, stellen große Fragen und stellen die Normen der Branche in Frage. Besonders hervorzuheben sind Pix Moving und Relativity Space. Pix Moving nutzt den werkzeuglosen Charakter des DED-Prozesses, um maßgeschneidertes Design anzubieten und die Herstellung seiner autonomen Fahrzeuge zu dezentralisieren. Relativity Space hat sich zum Ziel gesetzt, die Raumfahrtindustrie zu revolutionieren, indem es die Zeit vom Konzept über den Test bis zum fertigen Teil für Raketenkomponenten mithilfe seines Multimeter-WAAM-Systems mit dem Namen „Stargate“ deutlich verkürzt.

Sie sind wahre Pioniere der Technologie und auch wenn ihr Erfolg nur von kurzer Dauer ist, hofft man, dass sie einen gewissen Einfluss auf die Art und Weise haben werden, wie wir in Zukunft Produkte herstellen.

Obwohl es im Zusammenhang mit DED bedeutende technologische Fortschritte und einige gute Nachrichten zu berichten gab, bleibt die Technologie letztendlich eine Nische und die Herausforderungen, die eine breitere Einführung verhindern, sind groß. Es gibt noch viel zu tun, um die Zugänglichkeit von Hardware und Software zu verbessern, die Prozesszuverlässigkeit und -robustheit zu verbessern und bestehende und neue Ingenieure weiterzubilden und den Nutzen der Prozesse zu maximieren. Die gute Nachricht ist jedoch, dass derzeit große Fortschritte bei der Bewältigung dieser Herausforderungen erzielt werden.

Möchten Sie mehr über DED erfahren? Teil 2 unserer Serie über DED erscheint sehr bald!

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Das abgebildete Bild zeigt den WAAMpeller. Foto über Ramlab.

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