山東大學新型金屬3D打印技術：強制收縮線電弧增材制造（CC-WAAM）

南極熊獲悉，中國山東大學的研究人員開發(fā)出一種新型金屬3D打印方法，稱為強制收縮線電弧增材制造（CC-WAAM）。通過改進WAAM，該工藝可以更好地控制金屬的形成狀態(tài)，生成具有均勻微觀結構分布的層。他們還研究了該技術的最佳工藝參數和下焊現象。

強制收縮線電弧增材制造（CC-WAAM）

線材增材制造（WAAM）是由英國屢獲殊榮的克蘭菲爾德大學開創(chuàng)的金屬3D打印技術。 WAAM在生產大型零件時具有無與倫比的效率和成本優(yōu)勢，常用于航空航天和航海工業(yè)。它已廣泛應用于飛機后架，原型壓力容器，飛機機身，空心螺旋槳葉片，起重機吊鉤和船舶螺旋槳的生產。
在3D打印過程中，隨著熱量累積的增加，WAAM的幾何精度和成形質量下降。過多的熱量輸入也會引起殘余應力和變形，從而留下較差的機械性能。為了解決WAAM面臨的挑戰(zhàn)，山東大學團隊開發(fā)了一種名為強制收縮WAAM（CC-WAAM）的新技術。

使用金屬惰性氣體（MIG）焊接電源，CC-WAAM在狹窄的陶瓷噴嘴中的金屬線和鎢電極之間產生等離子弧。在電弧的加熱下，電線熔化并產生液滴。陶瓷噴嘴對電弧和金屬液滴具有強制抑制作用。利用弧形將液滴噴射出噴嘴，進行3D打印。噴射電弧等離子體保證了熱液滴以及液體池的良好屏蔽和保溫。

從焊炬到基板的距離為熔融液滴轉移提供了足夠的冷卻空間。因此，熱輸入顯著降低。通過該方法生產的層顯示出均勻和精細的微結構。通過調節(jié)焊炬的行進速度，也可以有效地控制每層的幾何尺寸。


△CC-WAAM示意圖;在CC-WAAM中噴射的弧和液滴的圖像。圖片來自山東大學。

獲得正確的參數

該團隊的下一個挑戰(zhàn)是開發(fā)系統控制參數，以確保電弧和液滴傳輸的穩(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定性促進了液滴的平衡轉移。同時，液滴的穩(wěn)定轉移使電弧保持穩(wěn)定。 CC-WAAM的受限空間不直接對電弧進行視覺評估，并且火炬護罩內的液滴不會形成。因此，研究人員利用高速攝影技術，通過耐高溫玻璃研究了不同條件下的焊接現象。

結果表明，電弧行為和液滴轉移隨電參數而變化。在低電平電參數（80 A / 14.9 V  -  200 A / 18.3 V）下，電弧和液滴非常不穩(wěn)定。增加了大液滴直徑（1.8  -  5.3mm）的特點，液滴傳輸頻率低（2  -  23Hz），產生大量復雜的電弧現象。相比之下，高水平電氣參數（200 A / 18.3 V  -  300 A / 18.3 V）可實現0.8 mm的小液滴和300 Hz的高傳輸頻率�；⌒魏鸵旱无D移變得非常穩(wěn)定，證明了更高級別的電氣參數更適合CC-WAAM。

然后，他們進行實驗以研究保護氣流對電弧行為和液滴轉移的影響。在低水平電參數下，氣流在電弧上施加機械力并使電弧分散。在高水平電氣參數下，氣體電離，促進電弧穩(wěn)定性。

該團隊得出結論，CC-WAAM最合適的參數是300 A / 18.3 V，氣流量為5 L / min。利用這些最佳參數，實現了短而穩(wěn)定的電弧和高頻液滴傳遞。

對液滴進行初步力分析，研究人員找到了這種液滴轉移現象的解釋。液滴FG上的重力和電磁pincheffect FE引起的力促進了液滴的垂直傳遞。與液滴軌跡的偏差是由液滴FC上的電弧力和液滴FM上的閉環(huán)電流產生的力引起的。未來的工作仍然是實現液滴的垂直軌跡。


力分析。圖片來自山東大學。

“在強制收縮的WAAM期間研究密閉空間中熔滴和電弧等離子體的產生過程”發(fā)表在Journal of Materials Processing Technology上。它由Meng Guo，Chuanbao Jia，Jihui Zhou，Wenqiang Liu，Chuanongong Wu共同撰寫。


南極熊發(fā)現，山東大學網站上有個報道，2018年06月，在山東大學“聘請短期境外專家項目”資助下，英國克蘭菲爾德大學焊接工程與激光加工中心主任Stewart Williams教授應邀來山東大學材料科學與工程學院開展講學和學術交流。

Williams教授參觀了材料學院焊接實驗室，詳細了解了材料學院焊接研究所在等離子弧焊接、電弧增材制造、高效焊接以及攪拌摩擦焊接等方面的最新研究成果。然后，他與相關課題組師生就焊絲-電弧增材制造技術（Wire-Arc Additive Manufacturing，WAAM）進行了深入交流，并以“Large scale additive manufacture of engineering metallic structures”為題，為材料學院研究生和部分教師作了學術講座。Williams教授在報告中詳細介紹了其課題組在“焊絲+電弧”增材制造技術（WAAM）方面的最新研究成果。目前，增材制造有多種技術方法，但對于實際大型工程結構件（米級尺度）的制造來說，“焊絲+電弧”增材制造技術（WAAM）效率高、成本低，在航空航天、國防、能源和建筑等行業(yè)中有巨大應用前景。Williams教授團隊采用WAAM技術制造出了目前世界上最大的增材制造結構件。他展示了已經制造出的某些典型結構件圖片，并且介紹了下一步的研究和開發(fā)計劃。學術報告以后，Williams教授與焊接數值模擬方向的博士生進行座談交流，研討了數值模擬在焊絲-電弧增材制造領域的巨大應用潛力和發(fā)展前景。通過此次講學和學術交流活動，相關課題組師生掌握了大尺寸結構件增材制造技術的最新國際進展，對目前WAAM增材制造的關鍵技術問題有了深刻的認識，對相關方向的研究課題具有很大的指導意義。

Stewart Williams教授，“焊絲+電弧”增材制造（WAAM）領域的國際權威專家，英國克蘭菲爾德大學（Cranfield University）焊接工程和激光加工中心主任、焊接科學與工程系主任。他主要致力于工業(yè)應用級別的大尺寸構件WAAM增材制造技術研發(fā)，相關產品已成功應用于包括空客、英國宇航系統公司、龐巴迪、歐洲宇航防務集團、通用、洛克希德馬丁等在內的著名航空、航天制造企業(yè)。