2.2.1　定向能量沉积技术

定向能量沉积技术是利用聚焦热能将材料同步熔化沉积的3D打印工艺，其思想萌芽可追溯到20世纪二三十年代。1922年，Baker在其专利中描述了一种通过焊接沉积成形装饰性焊接制品的方法，采用该方法制备的金属零件（图2-1）已经呈现出了成形的特征。在此后的三四十年内，全球范围内出现了多个源于焊接思想的定向能量沉积工艺。1972年，Ciraud发明了一种将金属粉末直接送入局部热源熔化沉积成形金属零件的方法，如图2-2所示。然而，受困于当时的计算机技术的限制，复杂零件的三维计算机建模及分层切片等数字化模型处理技术在当时还比较困难，上述技术还只能实现简单形状零件的成形。

图2-1　采用焊接沉积法在平板上制备的金属构件（US 42364720A）

图2-2　Ciraud发明的定向能量沉积工艺示意图（Ger.Patent Appl.DE 2263777 A1）

1—成形底板；2—粉末；3，5—局部热源；4—聚焦点；6—成形仓；7—热源发生器；8—送粉器；9—粉仓；10—粉末输送管道；11—泵；12—角度控制器；13—电源；14—电源控制阀；15—支撑材料

20世纪80年代末90年代初，随着计算机、激光、电子束等技术的进步，基于同步送粉的激光熔融沉积［图2-3（a）］和电子束/电弧/等离子熔丝沉积［图2-3（b）］等现代意义上的定向能量沉积工艺不断涌现，高性能大型复杂金属零件的制造成为可能。同时，根据定向能量沉积同步送粉/丝的材料送进特点，还可成形制造具有结构梯度和功能梯度的梯度复合材料，并可用于高性能零部件低成本快速修复及再制造。

图2-3　基于同步送粉的激光熔融沉积（a）和电子束熔丝沉积示意图（b）

我国定向能量沉积工艺的研究自20世纪90年代中期开始发展。西北工业大学、北京航空航天大学、北京航空制造工程研究所等在成形装备、工艺研究和产业化方面开展了大量的研究工作，并取得了重大进展。2012年，北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所完成的“飞机钛合金大型整体关键构件激光成型技术”获国家技术发明一等奖。目前，我国在基于同步送粉的激光熔融沉积技术方面处于世界领先水平，研制的大型钛合金、高强钢复杂构件已在我国型号装备和民用领域获得应用。需要指出的是，由于国际上多家研究机构几乎在同一时间开展了基于同步送粉的激光熔融沉积技术研究，因此，这项技术在国际上也具有多种不同的名称，如激光工程化近净成形、直接光制造、激光立体成形、激光快速成形、激光熔覆沉积等。