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WAAM!什么是电弧增材制造?

魔猴君  知识堂   6天前

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电弧增材制造这种3D打印技术实际上已在重工业和航空航天领域使用多年。在20世纪70年代,它被称为形状焊接,但自那时以来已经取得了长足的发展。如今,它被视为制造业、重工业、国防和航空航天业的一种生产大型金属部件的方法,其时间和成本仅为传统锻造、铸造或机械加工的一小部分。它也可能成为解决行业供应链堵塞、市场创新压力以及更快维修和备件交付的解决方案。

本文魔猴网将为大家介绍WAAM技术、它的优势和挑战以及最新的应用。

荷兰RamLab的WAAM 3D打印(来源:RamLab)

什么是WAAM?

电弧增材制造使用金属丝作为材料,电弧作为能源,类似于焊接。电弧熔化金属丝,然后通过机械臂将金属丝一层层地沉积到表面上,例如多轴转盘。与焊接一样,惰性气体可防止氧化并改善或控制金属的性能。

该过程将材料逐渐构建成完整的3D物体或现有物体的修复。无需移除支撑结构,成品部件可根据需要进行CNC加工以达到严格的公差或表面抛光。通常,打印部件会接受热处理以消除任何残余应力。

一旦采用WAAM 3D打印,诸如钛支架之类的部件就会被加工成精密部件,与机械加工相比可节省近70%的原材料(来源:Norsk Titanium)

WAAM建立在成熟的焊接方法和材料结果之上。尽管WAAM使用复杂的软件来控制过程中的一系列变量,但人们对通用方法的熟悉程度吸引了更多公司采用该技术。

您可能会听到WAAM有其他名称,因为该领域的公司都在努力推广其技术,使其优于竞争对手。然而,使用激光或带金属线的电子束而不是电弧的方法是定向能量沉积(DED)3D打印类别下的另一项独特技术。

WAAM3D采用电弧增材制造技术制造的钛罐(来源:WAAM3D)

WAAM被认为是DED技术中最具成本效益的选择,因为它可以使用现有的电弧焊接机器人和电源,而且它使用现成的焊接材料,因此进入门槛相对较低。WAAM的电弧技术(包括等离子弧)比其他类型的DED中使用的激光和电子束更便宜、更安全,并且不需要真空室来处理非活性金属。然而,对于钛或铝等活性金属,仍然需要通常由氩气或氮气制成的惰性气体环境,以避免与大气气体发生化学反应。

WAAM的主要卖点是快速且经济地打印大型金属物体,但该技术的吸引力还不止于此。

WAAM可与任何可焊金属配合使用

WAAM具有较高的沉积量和沉积速率(可快速构建零件)

WAAM大幅减少了原材料的使用和浪费

WAAM使用现有的电弧焊技术

WAAM可以制造非常大的部件

WAAM可实现设计自由和复杂几何形状

WAAM技术基于电弧焊,因此材料和工艺行为是已知的

如今,制造WAAM 3D打印机的公司越来越多,提供按需WAAM金属3D打印服务的公司数量也越来越多。让我们仔细看看目前市场上有哪些应用和WAAM 3D打印机,它们让这项技术成为一种可行的解决方案。

为何使用WAAM?

用作船用柴油发动机涡轮增压器的不锈钢叶轮由Gefertec采用WAAM技术生产(来源:Gefertec)

很多行业都可以从大型金属部件和更快的更换中受益。从国防和海洋到建筑和航空航天,WAAM都得到了广泛应用

快速制造大型金属零件

再制造重工业零件

创造独一无二的金属特征

修理模具

现场修复或重新利用金属部件

使用您自己的WAAM 3D打印机或使用本地打印服务,可以消除供应链问题并更快地将金属零件投入使用。

打印机制造商WAAM3D的首席执行官兼联合创始人Filomeno Martina表示:“由于WAAM适合制造通常仅在世界少数地区锻造的超大型结构,我们看到了越来越多的需求,而且我认为它只会变得越来越大。”

例如,如果您从事石油和天然气行业,需要快速获得独特的金属替换部件,WAAM可以以每小时约600 cm³的速度制造出近净形状的部件。然后可以用CNC加工出近净形状,以达到精确的公差。

澳大利亚WAAM初创公司AML3D正是这样做的,他们制造了一个重达940公斤的管道短管组件,用于石油和天然气行业。这是同类产品中第一个采用WAAM金属3D打印并经过独立压力测试的产品。这个41毫米厚的高压管道短管长850毫米,宽450毫米,是根据严格且新发布的美国石油协会标准20S打印的,符合所有测试验收标准。该组件还通过了行业标准的高压测试。

这款重达940公斤的管道短管组件用于石油和天然气行业,由AML3D采用WAAM 3D打印而成(来源:AML3D)

事实证明,WAAM可将零件生产时间缩短数月,但材料节约和可持续性是该技术的其他重要属性。WAAM仅使用必要的材料即可生产出接近最终尺寸的零件,与锻造或CNC加工相比,浪费很少。这在使用钛等昂贵材料时尤其重要。

目前WAAM中最常用的金属包括:

钛(TI-6Ai-4V、5级、23级)

钢材(马氏体时效钢250级、双相钢2205、2507、马氏体钢410、奥氏体钢420)

不锈钢(316L)

(2319,4043,5183,5356,5087)

镍合金(Inconel 625和718、FeNi36(INVAR)、NiAiCu(NAB)

随着人们对WAAM的兴趣日益浓厚,材料的选择也越来越多。例如,材料供应商Alloy Wire International提供一系列特种航空合金,包括Monel、Nimonic、Nitronic、Waspaloy和Phynox,其供应范围扩大到60多种不同的材料。

作为一种3D打印技术,WAAM可以生产锻造无法实现的独特形状和填充物。由于它不需要模具、冲模或工具,因此每个打印件都可以定制。这大大降低了制造独特替换部件、小批量部件甚至艺术部件(如下面的建筑梁支架)的成本。

WAAM 3D打印的建筑和设计应用可实现独特的设计,且成本远低于机械加工(来源:MX3D)

与其他3D打印技术一样,借助WAAM,工程师可以采用多组件系统并将其重新设计为一个整体进行打印,从而无需组装或焊接接缝。

WAAM速度快、成本低,但质量如何?与锻造件一样好甚至更好的零件是WAAM打印机制造商所吹嘘的。


英国飞机研究协会有限公司通过WAAM3D使用WAAM技术打印铝制鼻锥,减少了73%的材料使用量,缩短了生产时间并降低了总体成本(来源:飞机研究协会有限公司)

WAAM材料特性和行业标准


电弧增材制造图像:WAAM材料特性和行业标准

2021年7月,全球重型建筑设备制造商Huisman在独立认证机构英国劳氏船级社的监督下成功测试了四个新的3D打印起重机吊钩(来源:Huisman)

WAAM零件与铸造和锻造零件具有同等水平,并且适用于多个具有认证和标准的受监管行业,包括美国石油学会、英国劳氏船级社、焊接协会、美国机械工程师学会、法国船级社海洋与近海部、DNV GL等。

2023年,当Relativity Space成功发射其Terran 1火箭时,人们对该技术材料特性的所有疑虑都烟消云散了。该火箭由85%的3D打印部件制成,其中许多部件是用该公司专有的Stargate WAAM 3D打印机制造的,该火箭成功进入太空,但最终未能进入轨道。尽管如此,这一工程壮举展示了WAAM制造的潜力及其承受最极端条件的能力。

Relativity Space开发了Stargate WAAM 3D打印机来制造其火箭(来源:Relativity Space)

采用WAAM生产的部件尤其以高密度和强机械性能而著称。由于线材原料已经是一种致密的输入材料,因此在制造过程中几乎不会产生孔隙。

根据Kai Treutler和Volker Wesling最近的研究,“理解电弧增材制造的关键在于深入了解所使用的焊接工艺。增材制造和接头焊接之间的差异在于热导率的差异,薄壁结构的热导率明显较低。这使得热管理成为实现所需零件几何形状和材料特性的关键因素。”

精确的热管理正是WAAM机器软件的作用所在。

WAAM 3D打印机制造商RamLab及其合作伙伴DEEP正在开发欧洲最大的多臂WAAM制造能力之一,以提供适合人类居住的压力容器(来源:DEEP)

“可以说,机器人焊接和WAAM的基础元素非常相似,”Martina说。“它们都从运动系统(例如机械臂)和焊接电源开始。不同之处在于能够使用软件来控制制造具有所需完整性水平的零件所需的一系列关键参数。”

精确控制热量、焊珠尺寸、层高度和宽度、电流功率、沉积速度、机器人的移动,以及如何根据最终部件的材料和形状组合每个参数,是当今WAAM机器的成功故事。

由于缺乏先进的控制软件,WAAM直到最近才实现商业化,这也是目前市场上产品之间的区别所在。

WAAM的零件可以在任何CAD或CAM软件中设计,然后导入到每台WAAM打印机的专有软件中。

例如,WAAM3D附带了一系列流程软件:WAAMPlanner可执行切片、构建策略和刀具路径规划等任务;WAAMCtrl可控制打印机并监控构建过程;WAAMSim是用于碰撞检测和刀具路径验证的虚拟环境。WAAM3D的WAAMCtrl不仅可控制参数,还可为您提供制造流程的可审计跟踪。

WAAM3D的WAAMPlanner软件(来源:WAAM3D)

WAAM打印机制造商Gefertec提供用于刀具路径生成的CAM-3DMP模块化软件,并与西门子数字工业公司共同开发集成,以在西门子NX平台上执行完整的CAD/CAM流程链。

WAAM挑战

该船用螺旋桨是WAAM技术工业应用的首批示例之一(来源:RamLab)

WAAM正在向传统制造业迈进,但并非完全没有挑战。目前正在努力提高速度和简化软件,同时进行研发,以将WAAM从一次性或小批量生产方法转变为批量生产制造。

与传统方法相比,WAAM对于大批量零件来说并不是经济的选择,因为一旦创建了锻造或铸造模具,使用铸造方法可以更快地生产出数百或数千个零件。

WAAM在精度上无法与粉末床熔合技术相媲美,但这并不意味着可以。打印后CNC加工用于严格的公差。

目前,WAAM专注于在金属锻造和铸造的时间和成本阻碍供应链的应用领域中不断推广。随着将生产移近需求点在经济和环境方面变得越来越重要,例如在石油和天然气以及海洋工业中,WAAM提供了一种解决方案,并在每一个新应用中证明了自己的价值。

“WAAM的普及只是时间问题,”鹿特丹WAAM打印机制造商和研究机构RamLab的联合创始人Wei Ya说道。“与任何其他新概念或新方法一样,一方面,行业需要时间来建立共同的标准、法规和规则;另一方面,人们也需要时间来更好地了解这项技术,更加熟悉它,并最终将其投入使用。”



编译整理:ALL3DP

   

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