金屬加工在本質上主要是減材工藝。在切割、研磨和鉆孔等工藝過程中，一部分基礎材料會成為廢料，需要配備廢料處理、處置以及（可能涉及的）回收系統。
一些“增材”工藝（如鑄造和模塑）已存在數百年，但在過去二十年中，特別是近幾年來，增材制造（AM）技術取得了重大進展，為零件設計師提供了曾被認為不可能實現的能力。
金屬增材制造基礎
多年來，行業內使用了大量縮寫來描述各種增材制造工藝，其中許多為設備制造商的商標。最終，ASTM通過其ASTM F2792標準統一了相關術語。
該標準提及的兩種常見金屬增材制造形式為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）。能源來源取決于具體系統。當然，許多設備使用激光，但也有采用電子束或電弧的。尤其是定向能量沉積領域的最新進展，大多涉及高功率激光器的應用。
粉末床熔融和定向能量沉積均可制造種類極為廣泛的零件，包括具有復雜設計的零件。許多零件具備內部冷卻通道等特征，而這些特征若采用其他制造方式根本無法實現。
在粉末床熔融（PBF）工藝中，激光將一層圖案結構固化后，構建平臺會下降，以便重新鋪灑或沉積金屬粉末，形成下一層結構。PBF工藝能夠制造出結構復雜、接近最終形狀甚至直接達到最終形狀的成品。
在定向能量沉積（DED）工藝中，粉末或絲材逐層沉積，每層熔化的材料在基材上逐層堆疊構建。沉積材料可涵蓋鋼材、不銹鋼、鋁合金、鎳基和鈷基合金、鈦合金以及眾多其他材料。
由于金屬粉末的制造方式多樣，且可通過不同方式混合，制造商能夠據此精確調整材料性能。另一方面，金屬芯焊絲成本更低、沉積率高且不產生廢料。送絲式定向能量沉積（DED）的材料利用率幾乎可達100%。
定向能量沉積技術可用于制造大型零部件及實施修復工藝，在需要極高材料沉積速率的應用場景中頗具優勢。例如，某些送絲式定向能量沉積工藝的不銹鋼沉積速率可達330克/分鐘，約為粉末床熔融（PBF）典型沉積速率的10倍。然而，定向能量沉積的尺寸精度和表面粗糙度表現大約比粉末床熔融技術差10倍左右。
定向能量沉積雖能實現近終成形，但通常仍需通過銑削或磨削等后處理工序進行精加工。即便如此，憑借其高沉積速率特性，該技術在大型小批量零部件制造中仍具有更高的經濟性。
鑄造還是增材制造？
考慮一個大型零部件，在金屬增材制造技術出現之前，該部件通常采用鑄造工藝并輔以精加工機加工完成。若為大批量化生產，鑄造仍可能是最實用、最具成本效益的制造方式。但若生產批次較小呢？在制作鑄造型芯所需的時間內，采用定向能量沉積（DED）技術已能生產出接近鑄模質量的成品部件。
此外，通過增材制造的DED工藝生產的部件不會存在鑄造工藝中可能出現的冶金缺陷，例如微觀或宏觀孔隙率、冷隔或褶皺、結疤等問題。設計良好的DED系統通過激光源的閉環反饋控制，能夠構建出層間結合良好、雜質極少（若有）的大型零部件。
加工頭技術進展
標準工業級定向能量沉積（DED）設備由材料沉積頭、運動系統（多軸或機器人）、激光源、安全防護罩及排煙系統組成。加工頭根據零件的CAD數據沿預設刀具路徑移動。然而，DED技術持續發展，沉積速率不斷提升，其核心目標是在無變形的前提下實現焊絲的均勻快速加熱熔化。得益于加工頭的技術進步，這一目標在眾多應用場景中已成為現實。
傳統激光焊接頭的局限性
部分DED應用可沿用激光焊接頭，但其送絲方式存在限制。傳統激光焊接頭采用側向送絲，送絲方向影響熔滴過渡及沉積質量。理想狀態下需確保焊絲末端的熔融材料持續穩定流入工件熔池，但若加工頭僅支持單一送絲方向，則難以優化這一過程。
此外，反向反射是另一挑戰。DED需通過多工具中心點進行路徑編程，導致激光經焊絲反射回系統的可能性顯著增加，而傳統激光焊接頭未針對此類問題設計防護。
最后，激光焊接頭的透射光學元件通常僅支持6kW激光功率。盡管6kW在不久前仍屬"高功率"工業激光應用范疇，但當前部分DED系統已采用10至20kW激光功率。
材料適配性驅動送絲方向優化
不同材料需匹配差異化送絲方向與位置。例如，鈦合金及鎳基材料采用熔池前沿前向送絲時，可提升沉積速率并改善表面質量；而鋁合金實驗表明，后向送絲效率更高且工藝更穩定。總體而言，實現優質DED沉積的最佳送絲方向取決于材料特性，因此全向沉積頭具有顯著優勢。
全向沉積頭的技術突破
配備同軸熱絲送絲的全向沉積頭可支持20kW甚至30kW激光功率，其直接冷卻反射光學系統可最大限度減少焦點偏移。部分加工頭內置光學元件可將高功率激光束分割為三個等功率聚焦光斑，圍繞同軸送絲路徑分布。這種布局可根據材料、熔池直徑等變量實現多方向送絲：
三光斑可疊加輸出全額激光功率；
也可調整位置以強化特定方向性（即送絲方向），例如兩光斑疊加而第三光斑沿送絲方向跟隨。
拓展增材制造應用邊界
DED對工藝參數波動高度敏感，因此在線監測與閉環控制至關重要。終極目標在于提升沉積穩定性，進而將金屬增材制造技術拓展至全新領域——包括那些直至近期仍被認為無法通過任何增材工藝實現的大型零部件制造。
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