隨著增材製造技術不斷髮展，美國愛迪生焊接研究所（EWI）發現，高沉積率金隨著新增劑製造技術的發展。屬增材製造技術相比現階段金屬增材製造技術，可以列印更大的尺寸結構。但是該項技術難度很大，目前發展相對欠缺，因此也成為人們關注的焦點。
EWI根據其鐳射“吹粉”、電子束和金屬電弧焊增材製造技術列印大型物件的經驗，清晰地意識到：高沉積率金屬增材製造技術面臨著多重挑戰和機遇。因此，大約兩年前，EWI就承諾將內部研發資金用於探索和開發高功率、高沉積率的鐳射解決方案，以實現大型物件的增材製造。這份報告為上一年報告的延續，為仍在發展中的高沉積率金屬增材製造技術，提供了更多的新資訊、新見解，並分析了仍然面臨的挑戰。
數十種增材製造技術讓設計師、製造商、甚至業餘愛好者產生了濃厚的興趣。在眾多增材製造技術中，使用的材料包括聚合物、砂、金屬等。金屬增材製造的粉末床鐳射熔融技術（LPBF）吸引了最多的關注，基於LPBF的列印系統比其他金屬增材製造型別都多。增材製造實現了“從CAD設計圖到零件”一步轉化的生產理念，簡化了製造工藝，具有獨特的吸引力。
雖然LPBF技術的許多重要細節仍有待解決，但其對其他增材製造解決方案的整體刺激作用是相當大的。最重要的是，對更高沉積率的金屬增材製造的需求，促使人們越來越關注定向能量沉積（DED）解決方案，包括使用傳統的電弧、電子束和鐳射技術進行金屬熔化。而鐳射DED技術，可以分為兩種，第一種是鐳射金屬沉積（LMD），也被稱為“吹粉”DED技術；第二種是金屬線材送絲技術，這種技術發展相對較慢。
為什麼用金屬絲，如何融化它？
早在增材製造出現之前，就出現了使用電弧工藝作為加熱源的金屬熔覆方法。氣體保護金屬電弧焊（GMAW）增材製造工藝，最初是用來製造“各種裝飾性和實用性物品”的，並於1925年獲得專利（美國專利號#1,533,300）。這種加工工藝實際上就是今天所說的增材製造，雖然當時並未這麼命名。
圖1：離軸式鐳射DED送絲裝置。
氣體保護金屬電弧焊定向能量沉積（GMAW DED）工藝起步很早，但主要用於維修、防腐和構建耐磨表面。如今，GMAWDED已經重新在增材製造領域發揮作用。而鐳射粉末DED技術除了用來列印完整的物體，甚至已經整合到機床中（包括銑削和車削），用於加工精密零件。那麼，為什麼線材對DED增材製造越來越有吸引力呢？
首先，所有形式的增材製造都變得越來越有趣，也越來越被人們所接受。那些以前從未考慮用增材製造列印大型物件的行業，目前正在密切關注著增材製造技術。航空航天、運輸、金屬成形和海軍應用等領域，是大型構件鐳射增材製造的重點領域，而選擇金屬粉末還是金屬絲作為金屬源，具體對比如下：
線材比粉末更經濟
線材利用率遠高於粉末
線材定向能量沉積（DED）比粉末沉積更“整潔”
線材不會出現爆炸或引起呼吸問題
但線材也有其缺陷：
使用鐳射作為熱源，絲材比粉末更難熔化
線材的輸送以及直線度（缺乏直線度）可能存在問題
線材表面的輻射率變化很大，使工藝開發更具挑戰性
將金屬絲輸送到鐳射加工區，已經在鐳射釺焊和鐳射焊接中應用了幾十年，金屬絲的送絲方向幾乎都是與加工方向一致的。因此，鐳射線材DED最初的工藝開發，也是使用相同的線材進給方向和工藝移動方向。離軸式送絲方式（見圖1）有利於鐳射加熱/熔化，但這也使增材製造過程複雜化。因為在零件製造過程中，需要將送絲部件及所有相關的線路和管道結構等有效銜接起來，這對增材製造列印大型構件來說，非常具有挑戰性。
對於鐳射線材DED，另一種方法是送絲方向與工作面垂直，鐳射就作用線上材的四周。這種“同軸”式加工方法，已經被眾多鐳射系統製造商、增材製造系統製造商和光學器件供應商引入，包括Precitec、Laser Mechanisms、Fraunhofer、Meltio以及EWI等公司。在谷歌上搜索“同軸鐳射線材定向能量沉積”，能很容易找到許多相關應用案例。
同軸線材DED解決方案：
大多數現有的“同軸”線材DED解決方案，使用多個單獨的鐳射聚焦光束來加熱和熔化線材和工件表面。通常三束鐳射中的每一束，都必須精確地定位線上材周圍，而且線材必須是筆直的，並且工作過程中不能擺動。在EWI的設計中，鐳射束是以真正的同軸方式傳輸到線材四周（見圖2）。
圖2：EWI同軸鐳射線材增材製造光學解決方案（專利申請中）。
EWI開發的這種鐳射線材DED方案，可以使用高功率鐳射，目前已測得的能夠使用的鐳射功率高達20kW。兩個反射式光束整形光學元件由Craig Walters博士設計，並由II-VI公司生產。這些光學元件都配備水冷裝置，遠離工作區，受Aero視窗保護。這種設計使裝置的光學效能和線材的熔化能力都非常優異。
鐳射功率：20kW
功率傳輸：94%的光纖功率
不鏽鋼線材直徑：1.6mm
送絲速率：855ipm
熔化速率：46lb/hr
熔化效率：36mm3/kJ
在金屬線材四周產生圓柱形鐳射光束這樣的光學設計，使光束線上材上產生了一段較長的照明區（見圖3a）。但是由於線材的直線度不均勻，如存在“鑄型”和“螺旋”等問題，致使增材製造沉積不均勻。
圖3：金屬線材上的（a）初始同軸光束和（b）修正後的同軸光束。
為了解決上述增材製造沉積不均勻的問題，EWI對光學系統進行了重新設計。改進後的光學系統也是使鐳射束形成圓柱形，圍繞在金屬線材的四周。但是聚焦效果更好，線材上產生的照明區域明顯縮短，而輻照度明顯升高（見圖3b）。
鐳射輻照度升高，會誘導等離子體形成以及工件表面產生一定程度的飛濺，但對金屬線材直線度的靈敏度降低，因此提高了工藝的穩定性。回過頭來看，修正光學系統增加鐳射輻照度走了點彎路，但最終還是實現了比較理想的增材製造能力（見圖4）。
圖4：修正後的光學系統實現了“牆”狀結構的列印效果。
圖4中用308不鏽鋼增材製造列印的“牆”狀結構的金屬沉積率為28lbs/hr，這與典型的GMAW快速成型製造的沉積率相比更具競爭力。鐳射DED技術使金屬線材與基體金屬完全融合，形成單一的金屬相，因此加工效果比較出色。
對鐳射線材DED增材製造技術的建議：
EWI的鐳射線材DED增材製造解決方案，已經證明具有較高的列印效率；
同軸設計中的光學系統，提供了較多的線材照明選擇；
鐳射線材DED技術最終實現的沉積率，可能超過100lbs/hr；
需要對加熱/熔化速率和沉積流動動力學進行數值建模；
其他線材、線材裝置、鐳射波長和鐳射功率仍有待探索和實現。
