電弧沉積 3D 打?。╝rc-DED）技術

一、引言

在當今快速發(fā)展的制造業(yè)領域，3D 打印技術作為一項具有革命性的制造工藝，正不斷拓展其應用邊界。電弧沉積 3D 打印（arc-DED）技術作為其中的重要分支，以其獨特的優(yōu)勢和潛力逐漸嶄露頭角。它融合了電弧焊接的高效性與 3D 打印逐層堆積成型的創(chuàng)新性理念，為金屬零部件的制造提供了一種全新的途徑。無論是在航空航天、汽車制造、能源等高端工業(yè)領域，還是在一些新興的科技研發(fā)方向，arc-DED 技術都展現(xiàn)出了改變傳統(tǒng)制造模式、推動技術創(chuàng)新的強大力量。

**二、電弧沉積 3D 打?。╝rc-DED）技術的原理

（一）基本原理**
arc-DED 技術基于電弧放電產(chǎn)生的高溫熱源，將金屬絲材或棒材熔化，然后按照預設的路徑，通過逐層堆積的方式構建三維實體零件。在打印過程中，金屬絲材被連續(xù)送進電弧區(qū)域，在電弧的高溫作用下迅速熔化形成熔滴，這些熔滴在重力、電磁力以及惰性保護氣體的作用下，精確地沉積到已成型部分的特定位置上，隨著一層層的堆積，最終形成具有復雜形狀和特定性能的金屬零件。

（二）熱源特性
電弧作為熱源具有能量密度較高、溫度極高的特點。一般來說，電弧的溫度可以達到數(shù)千攝氏度甚至更高，這足以使大多數(shù)金屬材料迅速熔化。與其他 3D 打印熱源如激光相比，電弧的能量輸出更為強勁，能夠實現(xiàn)較高的沉積速率，在單位時間內可以堆積更多的金屬材料，這使得 arc-DED 技術在制造大型零件或者對生產(chǎn)效率要求較高的場合具有明顯的優(yōu)勢。

（三）材料送進方式
金屬絲材或棒材的送進系統(tǒng)是 arc-DED 技術的關鍵組成部分之一。送進裝置需要精確地控制材料的送進速度和送進量，以確保電弧能夠穩(wěn)定地熔化材料，并且保證熔滴能夠均勻、連續(xù)地沉積。送進速度的快慢會直接影響到熔滴的形成大小、頻率以及沉積層的厚度等參數(shù)，進而影響到零件的成型質量和性能。通常，送進系統(tǒng)會根據(jù)預先設定的打印參數(shù)以及實時監(jiān)測到的電弧狀態(tài)和熔滴沉積情況進行動態(tài)調整，以實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的打印過程。

**三、電弧沉積 3D 打?。╝rc-DED）技術的設備組成

（一）電源系統(tǒng)**
電源系統(tǒng)是為電弧提供能量的核心部件。它需要能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧電壓和電流，并且具備一定的調節(jié)范圍，以適應不同金屬材料和打印工藝的需求。先進的電源系統(tǒng)還具備智能化的控制功能，如能夠根據(jù)打印過程中的實時反饋信息自動調整電壓和電流，以優(yōu)化電弧的穩(wěn)定性和能量輸出效率。此外，電源系統(tǒng)還需要考慮與其他設備組件的兼容性和協(xié)同工作能力，例如與送絲系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等的信號交互和時序配合。

（二）送絲/送棒系統(tǒng)
如前文所述，送絲/送棒系統(tǒng)負責將金屬絲材或棒材精確地送進電弧區(qū)域。對于送絲系統(tǒng)，其結構設計需要考慮絲材的直徑、材質特性以及送進精度要求等因素。通常包括絲材盤、送絲輪、導絲管等部件，送絲輪通過電機驅動，在控制系統(tǒng)的指令下精確地轉動，從而帶動絲材以恒定的速度送進。送棒系統(tǒng)則相對較為簡單，但也需要保證棒材能夠穩(wěn)定地送進電弧區(qū)域，并且在送進過程中能夠保持良好的對中性能，以確保熔化的均勻性。

（三）運動控制系統(tǒng)
運動控制系統(tǒng)決定了打印噴頭（即電弧產(chǎn)生和熔滴沉積的部位）的運動軌跡和速度。它通常由電機、驅動器、導軌、滑塊以及控制器等部分組成。通過預先編寫的打印程序，運動控制系統(tǒng)能夠精確地控制噴頭在三維空間內的移動，實現(xiàn)按照設計模型的路徑進行金屬材料的沉積。在運動過程中，需要保證噴頭的定位精度和運動平穩(wěn)性，以避免出現(xiàn)沉積偏差或者層間不連續(xù)等缺陷。同時，運動控制系統(tǒng)還需要與其他系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)交互和協(xié)同工作，例如根據(jù)熔滴沉積的實際情況動態(tài)調整噴頭的運動速度，以保證成型質量。

（四）保護氣體系統(tǒng)
由于金屬在高溫熔化過程中容易與空氣中的氧氣、氮氣等發(fā)生化學反應，從而影響零件的質量和性能，因此 arc-DED 技術需要配備保護氣體系統(tǒng)。常用的保護氣體有氬氣、氦氣等惰性氣體。保護氣體系統(tǒng)包括氣體源、氣體流量控制器、氣管以及噴頭處的氣體噴嘴等部件。氣體流量控制器能夠精確地調節(jié)保護氣體的流量和壓力，確保在打印過程中能夠在熔池和已成型部分周圍形成穩(wěn)定的惰性氣體保護氛圍，有效地隔絕空氣，減少氧化、氮化等有害反應的發(fā)生。

（五）監(jiān)控與反饋系統(tǒng)
為了保證打印過程的穩(wěn)定性和零件的質量，arc-DED 技術設備通常還配備有監(jiān)控與反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過各種傳感器，如溫度傳感器、視覺傳感器等，實時監(jiān)測打印過程中的關鍵參數(shù)和狀態(tài)，如電弧溫度、熔池形狀、沉積層的厚度和表面質量等。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)被及時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)預設的算法和標準對數(shù)據(jù)進行分析和處理，然后根據(jù)分析結果對電源系統(tǒng)、送絲/送棒系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等進行相應的調整和優(yōu)化，實現(xiàn)閉環(huán)控制。例如，如果監(jiān)測到熔池溫度過高，控制系統(tǒng)可以適當降低電弧電流或者加快噴頭的運動速度，以調整熔池的熱輸入，保證成型過程的穩(wěn)定性。

**四、電弧沉積 3D 打印（arc-DED）技術的特點

（一）高沉積速率**
如前面原理部分所述，電弧的高能量密度使得 arc-DED 技術能夠實現(xiàn)較高的金屬沉積速率。與一些傳統(tǒng)的 3D 打印技術如激光選區(qū)熔化（SLM）相比，arc-DED 的沉積速率可以高出數(shù)倍甚至更多。這使得在制造大型金屬零件或者批量生產(chǎn)金屬零部件時，能夠大大縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。例如，在航空航天領域制造大型鈦合金結構件時，arc-DED 技術可以在相對較短的時間內完成零件的打印，減少了制造時間和成本。

（二）材料利用率高
由于 arc-DED 技術采用金屬絲材或棒材作為原材料，并且在打印過程中材料的熔化和沉積過程相對較為直接和高效，與一些采用粉末材料的 3D 打印技術相比，材料的損耗和浪費較少。在粉末床熔融 3D 打印技術中，部分未熔化的粉末會被遺棄，導致材料利用率較低。而 arc-DED 技術中，未被熔化的絲材或棒材可以方便地回收和再利用，材料利用率可以達到較高水平，這在一定程度上降低了原材料成本，尤其是對于一些昂貴的金屬材料如鈦合金、鎳基合金等，具有重要的經(jīng)濟意義。

（三）可加工材料范圍廣
電弧的高溫特性使得 arc-DED 技術能夠處理多種金屬材料，包括各種鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、鎳基合金等。不同的金屬材料具有不同的物理和化學性質，而 arc-DED 技術通過調整電源參數(shù)、送絲速度、保護氣體等工藝參數(shù)，可以適應不同材料的熔化和成型要求。這使得該技術在不同工業(yè)領域的應用具有很強的適應性，能夠滿足各種復雜工程結構對不同金屬材料性能的需求。例如，在汽車制造中，可以使用 arc-DED 技術制造鋁合金發(fā)動機缸體等零部件，提高發(fā)動機的性能和輕量化水平；在能源領域，可以用于制造耐高溫、耐高壓的鎳基合金管道連接件等。

（四）零件性能良好
通過 arc-DED 技術制造的金屬零件在性能方面具有一定的優(yōu)勢。由于在沉積過程中，金屬材料經(jīng)歷了快速的熔化和凝固過程，形成了細小的晶粒組織，這使得零件具有較高的強度和硬度。同時，通過合理地設計打印工藝參數(shù)和后續(xù)的熱處理工藝，可以進一步優(yōu)化零件的微觀結構，提高其綜合性能，如韌性、疲勞性能等。與傳統(tǒng)的鑄造和鍛造工藝相比，arc-DED 技術制造的零件在某些性能指標上甚至更優(yōu)。例如，一些研究表明，arc-DED 制造的鈦合金零件的疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造工藝制造的同類零件，這為其在航空航天等對零件性能要求極高的領域的應用提供了有力的支持。

（五）設備成本相對較低
相較于一些采用高功率激光器作為熱源的 3D 打印設備，arc-DED 技術的設備成本相對較低。激光設備本身價格昂貴，而且其維護和運行成本也較高，需要消耗大量的激光氣體、電能等。而 arc-DED 設備的電源系統(tǒng)、送絲/送棒系統(tǒng)等主要部件的成本相對較低，并且其維護和運行相對簡單，不需要復雜的激光光學系統(tǒng)維護。這使得一些中小企業(yè)或者對成本較為敏感的應用領域更容易接受和采用 arc-DED 技術，促進了該技術的推廣和應用。

**五、電弧沉積 3D 打?。╝rc-DED）技術的應用領域

（一）航空航天**
在航空航天領域，對高性能金屬零部件的需求極為迫切，這些零部件往往需要具備高強度、低密度、耐高溫、耐疲勞等優(yōu)異性能，同時還需要滿足復雜的形狀設計要求。arc-DED 技術在航空航天領域有著廣泛的應用前景。例如，它可以用于制造飛機發(fā)動機的葉片、盤、軸等關鍵部件。發(fā)動機葉片需要在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環(huán)境下工作，arc-DED 技術能夠制造出具有精細內部冷卻通道的葉片，提高葉片的冷卻效率和耐高溫性能，從而提升發(fā)動機的整體性能和可靠性。此外，對于飛機的大型結構件，如機翼連接件、機身框架等，arc-DED 技術可以實現(xiàn)一體化制造，減少零部件的數(shù)量和連接部位，提高結構的整體強度和剛度，同時減輕結構重量，降低飛機的燃油消耗和運營成本。

（二）汽車制造
汽車行業(yè)正朝著輕量化、高性能、個性化的方向發(fā)展，arc-DED 技術為汽車制造提供了新的技術手段。在汽車發(fā)動機制造方面，如前所述，可以利用 arc-DED 技術制造鋁合金發(fā)動機缸體、缸蓋等零部件，在保證足夠強度和剛度的前提下，實現(xiàn)發(fā)動機的輕量化，提高燃油經(jīng)濟性。同時，對于一些高性能跑車或賽車的特殊零部件，如定制化的懸掛系統(tǒng)部件、高強度的剎車卡鉗等，arc-DED 技術能夠根據(jù)設計要求快速制造出具有獨特性能和形狀的零件，滿足汽車制造商對產(chǎn)品差異化和高性能的追求。此外，在汽車零部件的修復領域，arc-DED 技術也具有很大的應用潛力，可以對磨損或損壞的發(fā)動機零部件、變速器零部件等進行修復，延長零部件的使用壽命，降低維修成本。

（三）能源
在能源領域，無論是傳統(tǒng)的石油、天然氣開采和輸送設備，還是新興的新能源裝備，都對金屬材料的性能和制造工藝提出了很高的要求。arc-DED 技術在能源領域的應用主要包括制造石油化工行業(yè)中的高溫高壓閥門、管道連接件等。這些部件需要具備良好的耐腐蝕性、耐高溫性和高強度，arc-DED 技術能夠制造出滿足這些性能要求的零部件，并且可以通過優(yōu)化打印工藝，提高零部件的密封性能和可靠性。在新能源領域，如風力發(fā)電設備中的大型齒輪箱零部件、發(fā)電機轉子等，arc-DED 技術可以制造出具有高精度、高疲勞性能的零件，提高風力發(fā)電設備的發(fā)電效率和使用壽命。對于核電領域，雖然對零部件的質量和安全性要求極高，但 arc-DED 技術在一些非關鍵部件的制造和修復方面也有著潛在的應用研究價值，例如核電站的一些輔助設備零部件的制造和維護。

（四）模具制造
模具是制造業(yè)中的重要基礎工藝裝備，傳統(tǒng)模具制造工藝復雜、周期長、成本高。arc-DED 技術為模具制造帶來了新的變革。它可以用于制造各種沖壓模具、注塑模具、壓鑄模具等。通過 arc-DED 技術，可以快速制造出具有復雜形狀和冷卻通道的模具鑲塊或型芯，提高模具的冷卻效率和成型精度。例如，在注塑模具制造中，合理設計的冷卻通道可以使塑料制品在成型過程中更快地冷卻，縮短成型周期，提高生產(chǎn)效率。同時，對于一些模具的修復和改進，arc-DED 技術也能夠發(fā)揮重要作用，如對模具表面的磨損部位進行修復，或者在原有模具基礎上增加一些新的功能結構，如局部強化結構等，延長模具的使用壽命，提高模具的性能。

（五）醫(yī)療器械
在醫(yī)療器械領域，個性化定制的需求日益增長。arc-DED 技術能夠根據(jù)患者的具體身體狀況和需求，制造出個性化的醫(yī)療器械，如定制化的骨科植入物、牙齒修復體等。以骨科植入物為例，每個人的骨骼形狀和尺寸都存在差異，傳統(tǒng)的標準化植入物可能無法完全匹配患者的骨骼結構，而 arc-DED 技術可以根據(jù)患者的 CT 掃描數(shù)據(jù)，精確地制造出與患者骨骼完美貼合的植入物，提高植入物的固定效果和生物相容性，促進患者的康復。此外，對于一些醫(yī)療器械的功能部件，如手術器械中的高精度切割刀具、特殊形狀的夾持器械等，arc-DED 技術也能夠制造出具有優(yōu)異性能和獨特形狀的零件，滿足醫(yī)療器械對高精度、高性能的要求。

**六、電弧沉積 3D 打?。╝rc-DED）技術面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

（一）面臨的挑戰(zhàn)

1. 成型精度有待提高**
雖然 arc-DED 技術在沉積速率和材料利用率等方面具有優(yōu)勢，但與一些高精度的 3D 打印技術如 SLM 相比，其成型精度相對較低。在制造一些對尺寸精度和表面質量要求極高的零部件時，如精密電子零部件、微型醫(yī)療器械等，arc-DED 技術可能難以滿足要求。這主要是由于電弧的能量分布相對較廣，在熔化和沉積過程中容易產(chǎn)生較大的熔池，導致熔滴沉積的尺寸控制難度較大，以及零件表面的粗糙度較高。提高 arc-DED 技術的成型精度是當前研究和發(fā)展的重要方向之一，需要從優(yōu)化電弧熱源特性、改進送絲/送棒系統(tǒng)、研發(fā)新型的運動控制和監(jiān)控反饋算法等多方面入手。
2. 殘余應力與變形問題
在 arc-DED 技術的打印過程中，由于金屬材料經(jīng)歷了快速的熔化和凝固過程，會產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而導致零件內部產(chǎn)生殘余應力。殘余應力的存在可能會引起零件的變形，甚至開裂，嚴重影響零件的質量和性能。尤其是對于一些大型零件或者結構復雜的零件，殘余應力和變形問題更為突出。解決這一問題需要深入研究金屬材料在 arc-DED 過程中的熱行為和應力演變規(guī)律，開發(fā)有效的應力消除和變形控制工藝，如采用合適的預變形技術、優(yōu)化打印路徑和工藝參數(shù)、結合后續(xù)的熱處理工藝等，以確保零件的尺寸精度和質量穩(wěn)定性。
3. 微觀結構控制與性能優(yōu)化
雖然 arc-DED 技術制造的零件在宏觀性能上具有一定的優(yōu)勢，但在微觀結構的精確控制方面仍面臨挑戰(zhàn)。微觀結構如晶粒尺寸、晶粒取向、相組成等對零件的性能有著至關重要的影響。目前，對于如何在 arc-DED 過程中精確控制微觀結構，以實現(xiàn)零件性能的進一步優(yōu)化，還需要進行深入的研究。例如，如何通過調整工藝參數(shù)來獲得均勻細小的晶粒組織，如何控制不同相的形成和分布等。這需要借助先進的材料表征技術和數(shù)值模擬手段，建立微觀結構與工藝參數(shù)之間的準確關系模型，為微觀結構的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
4. 質量檢測與標準規(guī)范
隨著 arc-DED 技術的應用逐漸廣泛，其質量檢測和標準規(guī)范問題日益凸顯。由于 arc-DED 技術制造的零件具有獨特的成型過程和微觀結構，傳統(tǒng)的質量檢測方法和標準可能不完全適用于該技術。目前，缺乏針對 arc-DED 技術的完善的質量檢測體系和統(tǒng)一的標準規(guī)范，這給零件的質量控制和應用推廣帶來了困難。需要建立專門針對 arc-DED 技術的質量檢測方法和標準，包括對零件的尺寸精度、表面質量、內部缺陷、微觀結構、力學性能等多方面的檢測標準和規(guī)范，以確保零件的質量可靠性和可重復性，促進該技術在不同行業(yè)的廣泛應用。

**（二）發(fā)展趨勢

1. 多技術融合發(fā)展**
未來，arc-DED 技術將與其他先進制造技術和材料技術進行融合發(fā)展。例如，與激光技術相結合，利用激光的高能量密度和精確控制能力，對 arc-DED 打印過程中的熔池進行局部加熱或處理，改善熔池的流動性和凝固行為，提高成型精度和微觀結構質量。與智能控制技術融合，實現(xiàn)打印過程的全自動化、智能化控制，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調整工藝參數(shù)，優(yōu)化打印過程，提高生產(chǎn)效率和質量穩(wěn)定性。此外，與新型材料技術如納米材料技術、復合材料技術相結合，開發(fā)具有特殊性能的新型金屬基復合材料零件，拓展 arc-DED 技術的應用領域。
2. 微觀結構與性能調控的深入研究
隨著對材料性能要求的不斷提高，arc-DED 技術在微觀結構與性能調控方面的研究將不斷深入。通過多尺度建模與模擬技術，從原子尺度到宏觀尺度全面研究 arc-DED 過程中材料的組織結構演變規(guī)律，建立更加精確的工藝 - 微觀結構 - 性能關系模型?；谶@些模型，開發(fā)更加精細的工藝控制方法，實現(xiàn)對零件微觀結構和性能的精準調控。例如，通過控制打印過程中的熱輸入、冷卻速率、材料成分等因素，實現(xiàn)對晶粒尺寸、形狀、取向以及相組成的精確控制，制造出具有超高強度、高韌性、良好耐腐蝕性等優(yōu)異綜合性能的金屬零件，滿足航空航天、能源等高端領域對高性能零部件的需求。
3. 大尺寸零件制造與修復技術的突破
在大型裝備制造和維護領域，對大尺寸金屬零件的制造和修復需求日益增長。arc-DED 技術在大尺寸零件制造和修復方面具有較大的潛力，但目前仍面臨一些技術難題，如大尺寸零件的變形控制、多道次沉積過程中的層間結合質量等。未來，隨著相關技術的不斷發(fā)展，有望在大尺寸零件制造與修復技術上取得突破。例如，開發(fā)大型專用 arc-DED 設備，配備先進的運動控制系統(tǒng)和監(jiān)測反饋

——————————————————

作者簡介：封崇崇，男，江蘇沛縣人，大學學歷，正高級工程師。國家注冊質量管理體系（QMS）審核員、國家注冊環(huán)境管理體系（EMS）審核員、國家注冊職業(yè)健康安全管理體系（OHSMS）審核員、國家注冊服務認證審查員?，F(xiàn)為財政部政府采購評審專家、山東省科技專家（山東省科技廳）、山東省工業(yè)和信息化廳專家、山東省政府采購評標專家、科普中國專家、科學辟謠專家、科創(chuàng)中國專家、泰山科普名家等。