2.2.1　定向能量沉積技術

定向能量沉積技術是利用聚焦熱能將材料同步熔化沉積的3D打印工藝，其思想萌芽可追溯到20世紀二三十年代。1922年，Baker在其專利中描述了一種通過焊接沉積成形裝飾性焊接制品的方法，采用該方法制備的金屬零件（圖2-1）已經(jīng)呈現(xiàn)出了成形的特征。在此后的三四十年內(nèi)，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了多個源于焊接思想的定向能量沉積工藝。1972年，Ciraud發(fā)明了一種將金屬粉末直接送入局部熱源熔化沉積成形金屬零件的方法，如圖2-2所示。然而，受困于當時的計算機技術的限制，復雜零件的三維計算機建模及分層切片等數(shù)字化模型處理技術在當時還比較困難，上述技術還只能實現(xiàn)簡單形狀零件的成形。

圖2-1　采用焊接沉積法在平板上制備的金屬構件（US 42364720A）

圖2-2　Ciraud發(fā)明的定向能量沉積工藝示意圖（Ger.Patent Appl.DE 2263777 A1）

1—成形底板；2—粉末；3，5—局部熱源；4—聚焦點；6—成形倉；7—熱源發(fā)生器；8—送粉器；9—粉倉；10—粉末輸送管道；11—泵；12—角度控制器；13—電源；14—電源控制閥；15—支撐材料

20世紀80年代末90年代初，隨著計算機、激光、電子束等技術的進步，基于同步送粉的激光熔融沉積［圖2-3（a）］和電子束/電弧/等離子熔絲沉積［圖2-3（b）］等現(xiàn)代意義上的定向能量沉積工藝不斷涌現(xiàn)，高性能大型復雜金屬零件的制造成為可能。同時，根據(jù)定向能量沉積同步送粉/絲的材料送進特點，還可成形制造具有結(jié)構梯度和功能梯度的梯度復合材料，并可用于高性能零部件低成本快速修復及再制造。

圖2-3　基于同步送粉的激光熔融沉積（a）和電子束熔絲沉積示意圖（b）

我國定向能量沉積工藝的研究自20世紀90年代中期開始發(fā)展。西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、北京航空制造工程研究所等在成形裝備、工藝研究和產(chǎn)業(yè)化方面開展了大量的研究工作，并取得了重大進展。2012年，北京航空航天大學和沈陽飛機設計研究所完成的“飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成型技術”獲國家技術發(fā)明一等獎。目前，我國在基于同步送粉的激光熔融沉積技術方面處于世界領先水平，研制的大型鈦合金、高強鋼復雜構件已在我國型號裝備和民用領域獲得應用。需要指出的是，由于國際上多家研究機構幾乎在同一時間開展了基于同步送粉的激光熔融沉積技術研究，因此，這項技術在國際上也具有多種不同的名稱，如激光工程化近凈成形、直接光制造、激光立體成形、激光快速成形、激光熔覆沉積等。