激光辅助金属/材料直接沉积（DMD）是一种直接根据三维CAD模型制作金属部件的激光熔覆工艺。DMD工艺的发展引起了快速成型行业和工具行业的极大兴趣。
DMD工艺可用于许多前景广阔的领域，如网状固体金属零件、功能分级材料、蜂窝状固体、原位合金零件和具有保形/内部特征的零件。随着许多公司推出可使用金属粉末逐层制造零件的新系统，一个全新的行业正在诞生。
最近几年，一些企业开始将其商业化。近净形材料几乎100%致密，表面光洁度可与铸造相媲美，这一点已得到证实。然而，DMD所生产产品的质量是最苛刻的要求之一。从用户的角度来看，重要的问题是(1)最终产品的强度如何？(2)空隙率或空隙水平如何？(3)能否避免残余应力？(4)产品在整个部件上是否具有完整性？
为了回答这些问题，需要对加工过程进行系统研究。如何精确控制加工过程中的尺寸和性能，实现崇高理想，一直是这一领域面临的科学挑战。为了大幅节省表面光洁度的后期加工成本，必须对几何尺寸进行严密控制。反馈控制作为关键技术特征之一是必要的，因为每个分层表面都应根据给定的切片层信息保持均匀和平整。利用光学传感器技术和反馈控制系统，研究并实现了控制沉积高度和沉积特性的合适技术。
通过DMD工艺制造的部件的最终特性在很大程度上取决于各种参数，如激光功率、光束直径、移动速度、粉末质量流量、重叠百分比等。确定哪个参数会影响最终特性是一个难题。由于工艺参数本身的相互作用，最终特性的影响程度变得更加复杂。然而，尽管开展了各种研究工作，但DMD参数对制造零件的尺寸和材料特性的影响尚未得到很好的研究。
因此，本文重点研究了CO2激光直接沉积H13工具钢的尺寸和材料特性。工艺参数有很多，但最重要的参数是激光功率、光束直径、粉末质量流量、移动速度、层厚度和重叠率。为了找出DMD工艺参数的影响，使用统计技术建立了工艺参数与实际层厚、微硬度和孔隙率等产品特性之间的关系。此外，还从硬度、孔隙率、微观结构和成分等材料特性的角度分析了DMD工艺的性能。
如上图所示，激光辅助DMD系统由四个关键技术部分组成：激光熔覆、CAD/CAM、机床数控和反馈控制。首先，为了制造零件，需要使用CAD/CAM系统生成CAD模型。在对模型进行厚度均匀的切片后，根据切片生成机床路径。
机床路径被转换成带有刀具路径和辅助功能的机床代码，然后上载到数控机床。激光熔覆是一种快速成型制造工艺，通过激光在基底材料上生成熔池，同时将第二种材料（粉末或金属丝）注入熔池。通过这种逐行逐层熔覆的方式实现分层制造，直到整个部件被熔化。
实施添加工艺的技术难点在于如何精确控制沉积的几何尺寸和机械性能。在理想的沉积情况下，只要保持均匀的材料供应和恒定的能量输入，表面平整度就可以保持一致。然而，在实际工艺中，由于粉末质量流量控制困难而导致的粉末材料流动不规则，以及激光辐射过程中由于热和光学不稳定性而导致的激光功率波动，往往会导致不理想的沉积效果。
有报告称，工艺过程中过度的表面不规则会在沉积后导致层间界面产生不良缺陷。近年来，一些研究人员一直在寻求控制沉积高度和沉积完整性的适当解决方案。其中一种建议的方法是使用反馈控制系统来控制具体的能量和质量。
如上图所示，该反馈控制系统由高度感应单元和反馈信号处理单元组成。为高度感应开发了一个光学光传感器。本实验选用双传感器系统，以消除刀具路径方向的影响。在使用光学传感器之前，应根据所需的熔池图像对其进行校准。根据设计，除非当前层厚不超过切片高度位置，否则传感器不会启动。
由于激光功率和夹杂在金属池中的粉末质量可能不稳定，沉积轨道上可能会出现过沉积和欠沉积。沉积不足需要通过适当的图案设计来补偿。在加工过程中，可通过在同一层上重复刀具路径的算法来纠正沉积不足。
过量沉积是制程中的一个关键问题。如果过度沉积，应通过额外的去除工艺去除过厚的厚度。控制的主要思想是提供自适应控制能力，在过度沉积时尽快降低激光功率。熔池图像被传送到光学光电传感器上。传感器上的图像位置反映了熔池在沉积表面上的高度变化。
熔池检测到的图像由高度感应单元进行评估。当当前熔池的高度高于期望值时，传感器捕捉到熔池的图像。然后，向信号处理装置和激光功率控制器发送适当的信号。信号处理装置还可向粉末输送系统发送信号。粉末输送系统的设计目的是混合多种粉末并输送均匀的质量流量。
多粉末输送系统由三个粉末容器、一个粉末搅拌器、一个同心喷嘴组件和输送气体入口组成。粉末容器中的每个料斗都有一个凹凸轴输送系统和一个由伺服控制器驱动的电机组件。电机速度由信号处理装置发出的信号控制，因此可以精确控制和稳定粉末混合和质量流量。
上图是控制系统示意图。整个过程由个人电脑监控。我们开发了一个带有LabVIEWw程序的PC控制器，用于对整个DMD过程进行智能控制。模拟电压信号通过两块数据采集（DAQ）板发送到激光功率控制器和直流电机伺服控制器。
信号处理单元是一个电路，旨在实现无时间延迟的实时控制。信号处理单元接收光学高度传感器系统发出的检测信号，为激光功率控制器确定必要的输出信号，如瞬间断电信号等。断电时间取决于参考脉冲输入信号的脉冲重复率和占空比。
信号处理装置还向PC控制器发送输出信号，以控制激光功率大小的电压。在本次研究中，样品沉积时不启动电机控制器和激光振幅控制单元，而是启动激光关断单元，因为激光关断控制足以实现均匀沉积。
本研究中使用的AISIH13工具钢是模具制造行业的首选材料。铬热作钢因其兼具抗软化性和韧性而被广泛使用。本研究中使用的AISIH13工具钢是模具制造行业的涂层的正常工作硬度为40-55HRc，平均标准目数为100。粉末在稳定氩气流的烘箱炉中于2008℃下加热干燥约8小时，然后缓慢冷却至室温。
基底材料是厚度为0.25英寸（6.4毫米）、表面抛光的AISI1018钢，制作的样品尺寸为20.32毫米x20.32毫米，高5.08毫米（0.8英寸x0.8英寸，高0.2英寸）。使用配有F7聚焦头组件的1.75kWCO2激光系统产生直径为0.7mm的散焦光束，光束的功率分布为高斯分布(TEM00)。粉末输送的进给量在5至11克/分钟之间变化。
设计用于输送金属粉末，输送气体为氩气，流速为5-10英尺3/小时。为防止氧化，使用氦气作为屏蔽气体，流量为25-30英尺3/小时。众所周知，氦气比氩气具有更高的电离势能，因此在激光与基片的相互作用点会产生电子密度较低的等离子体。在DMD工艺的各种工艺参数中，选择了四个参数作为实验的主要因素。
如表1所示，图层厚度、粉末质量流量、激光功率和横移速度等因素分为低（L）、中（M）和高（H）三个等级。(H).实验数据矩阵采用分数因子设计法编制。重叠率、辅助气体流速、保护气体流速和堆积模式的参数保持不变，分别为24%、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、7.08、分别为9.44升/分钟和人字形模式。
测量的性能包括实际层厚、微硬度和孔隙率。此外，还研究了沉积材料的微观结构和成分特征。在厚度测量中，共堆积了10层，每层实际厚度除以层数后计算得出。使用布勒MicrometII型显微硬度计进行了显微硬度测试。在7-8秒的测试时间内施加300克的载荷，并使用维氏压头测量硬度。测试数据取自从表面顶端到界面的同一截面水平的两个和三个不同点。为了分析孔隙/空洞，使用了一套显微镜。
用50倍放大镜目测整个沉积区域后，用装有二维图像分析软件ScionImage的显微设备检查样品的横截面。有选择点蚀最严重的区域作为取样区域。平均孔隙度百分比的计算方法是：点蚀区域的像素数除以相机扫描区域的像素数。
即使启动了高度控制装置，实际层厚也可能与初始设定值不同。这种情况通常发生在工艺参数未完全优化的情况下。例如，如果粉末质量流量过高或过低，可能会导致料层厚度升高或降低。同样，如果横移速度过高，层厚度可能达不到设定值。
因此，为了达到预设的层厚度，可能需要增加一次运行来增加层厚度，或加工掉过厚的层。为了了解工艺参数对层厚的影响，我们测量了实际的层厚。在27个样品中，只有12个样品的层厚与设定厚度相同。结果表明，在一定的参数范围内可以达到预设的层厚。厚度误差，即实际层厚与层厚设定值的差异，使用统计分析软件包SASw进行了统计分析。
进行方差分析（ANOVA）以研究具有显著影响的因素。方差分析使用一种名为F统计量的检验统计量来检验各组均值相等的假设。如果计算出的F值大于某个标准，则拒绝零假设。这意味着所有组的均值不相等，参数是一个具有显著影响的因子。
如表2(a)所示，根据p值标准，粉末质量流量和料层厚度设置是显著影响因素，尤其是粉末质量流量的影响占主导地位。由于激光功率是可控的，因此激光功率的影响可以忽略不计。为了更精确地比较平均值，进行了邓肯多重范围检验。
在表2(b)的邓肯多重范围检验中，分组栏中的字母不同表示平均值相差很大。如表2（b）所示，0.254和0.508毫米的层厚设定值之间的差异在厚度误差上非常显著。
上图显示了厚度误差数据的分布以及与粉末质量流量有关的平均值。共有14个隐藏数据，其中9个数据是控制良好的结果，没有厚度误差。从表2(b)和图中可以看出，为了获得更好的尺寸精度，粉末质量流量越大越好。
上图显示了从表面顶部到界面的横截面上的微硬度分布。无论层厚设置如何，平均硬度都在520和580Hv之间。包层区域的硬度分布变化较小。在层间界面区退火的影响下，平均硬度的变化在10%以内。
每个样品横截面硬度的平均值被确定为样品的硬度。由于预计无论实验因素的水平如何，硬度数据都几乎相同，因此只准备了14个数据。对于不平衡数据，采用一般线性模型（GLM）程序代替方差分析。如表3所示，所有因素对硬度的影响都不显著。
上图显示了显微硬度数据随粉末质量流量的分布情况。DMD工艺中出现的问题通常是由于激光熔覆工艺不佳造成的。造成缺陷部件的主要原因与不理想的沉积有关，如熔覆结合和氧化层不足，或激光功率不稳定导致能量输入不足。孔隙/空洞是激光熔覆过程中经常出现的问题之一，主要是由于滞留气体或未完全溶解的粉末造成的。
为了了解工艺参数的影响，使用统计技术分析了沉积层厚度、显微硬度和孔隙率。结果表明，生产具有尺寸稳定性和微观结构完整性的良好样品的工艺窗口非常狭窄。显微硬度数据显示，沉积区域的硬度分布一般产生实际层厚。
通过统计技术建立的预测模型得出结论，层厚设定与粉末质量流量之间的相互作用效果显著。针对沉积H13钢的材料特性，对稀释、孔隙率、微观结构和成分进行了研究。对基体的稀释深度很小，对最终产品的成分影响很小。孔隙间隔与工艺的重叠百分比非常接近。
优化重叠百分比以及适当控制粉末流速对减少孔隙形成的可能性至关重要。显微结构显示，由于循环散热，试样上下区域的枝晶生长存在差异。沉积钢的定量化学成分与使用的钢粉几乎相同。
