[论文解读] A Review of the Anomalies in Directed Energy Deposition (DED) Processes and Potential Solutions

Michael Liu, Abhishek Kumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 97被引用 5

一句话总结

本文综述了定向能量沉积（DED）工艺中的固有缺陷，如变形、孔隙率和成分变化，按零件、工艺、材料、生产率、安全性、修复和功能梯度等类别进行分类。基于对截至2020年文献的全面回顾，识别了根本原因并提出了缓解策略，为提高DED可靠性并推动其在主流制造中的应用提供了基础性指导。

ABSTRACT

Directed Energy Deposition (DED) processes offer one of the most versatile current techniques to additively manufacture and repair metallic components that have generatively designed complex geometries, and with compositional control. When compared to powder bed fusion (PBF), its applicability and adoption has been limited because several issues innate to the process are yet to be suitably understood and resolved. This work catalogs and delineates these issues and anomalies in the DED process along with their causes and solutions, based on a state-of-the-art literature review. This work also serves to enumerate and associate the underlying causes to the detrimental effects which manifest as undesirable part/process outcomes. These DED-specific anomalies are categorized under groups related to the part, process, material, productivity, safety, repair, and functional gradients. Altogether, this primer acts as a guide to best prepare for and mitigate the problems that are encountered in DED, and also to lay the groundwork to inspire novel solutions to further advance DED into mainstream manufacturing.

研究动机与目标

• 系统性地列出并分析影响金属增材制造中定向能量沉积（DED）工艺的关键缺陷。
• 识别这些缺陷在多个类别中的根本原因：零件完整性、工艺控制、材料行为、生产率、安全性、修复质量以及功能梯度。
• 基于当前最先进研究，对现有解决方案和缓解策略进行结构化综合。
• 为研究人员和工程师提供参考指南，以在工艺开发和工业实施过程中预见、预防和解决DED特有的问题。
• 通过揭示DED技术中尚未解决的挑战和知识空白，激发未来创新。

提出的方法

• 对截至2020年发表的关于DED工艺的同行评审研究进行系统性文献回顾。
• 将观察到的缺陷按七个主题类别进行分类：零件、工艺、材料、生产率、安全性、修复和功能梯度。
• 利用回顾文献中的实验和仿真数据，分析每种缺陷的根本原因。
• 将每种缺陷与其相应的负面影响结果关联（例如，孔隙率导致疲劳寿命降低）。
• 综合现有解决方案，包括工艺参数优化、原位监测技术以及材料粉末/线材的改进。
• 提出一个结构化框架，以指导基于已识别失效模式的DED工艺选择、故障排查和设计优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 定向能量沉积（DED）工艺生产的零件在质量和可靠性方面受到哪些主要缺陷的影响？
• RQ2 这些缺陷的根本原因是什么，具体体现在工艺参数、材料行为和系统动力学方面？
• RQ3 这些缺陷如何影响零件性能，包括机械完整性、尺寸精度和表面质量？
• RQ4 目前最有效的DED特有缺陷缓解解决方案和控制策略有哪些？
• RQ5 对这些缺陷的系统性理解如何支持DED向主流工业制造的推进？

主要发现

• DED中孔隙的形成主要由熔池稳定性不足、气体捕获以及激光/电弧功率分布不当引起。
• 热致变形和残余应力是几何误差的主要成因，尤其在薄壁或悬垂结构中更为显著。
• 成分偏析和显微组织不均匀性是由于快速凝固和非均匀的材料送进速率所致。
• 缺乏有效的工艺过程监测以及实时反馈系统，显著加剧了工艺不稳定性及缺陷的传播。
• 在修复应用中，存在基材稀释和修复区域残余应力集中等独特挑战。
• 功能梯度构件易因热膨胀系数不匹配和工艺诱发的残余应力而导致界面开裂和性能梯度变化。