國產(chǎn)等離子弧送絲金屬3D打印系統(tǒng)來了

導讀：最近一兩個月，我國開始對微鑄鍛金屬3D打印技術進行出口限制，美國也開始對某些復合增材制造技術進行出口管制。南極熊發(fā)現(xiàn)，兩者限制和管制的，都在國防軍工、核電等領域有著強大應用潛力的重工業(yè)相關的3D打印技術�，F(xiàn)在，另一種適合重工業(yè)領域應用的低成本、高效率的國產(chǎn)等離子弧送絲金屬3D打印系統(tǒng)來了。

△等離子弧金屬3D打印成形實拍

如今，增材制造已經(jīng)逐漸被大眾認知，從人盡皆知的非金屬增材制造，到因成本過高而使很多難以企及的金屬增材制造，增材制造已經(jīng)從一個籠統(tǒng)的概念細分到了眾多領域，并在各行各業(yè)發(fā)揮著增材制造獨有的優(yōu)勢。在比較常見的金屬增材制造方式中，選區(qū)激光熔化增材制造（簡稱SLM）成形零件尺寸可控且精密，性能較高，但效率低、成本高、成形尺寸受限；激光近凈成形增材制造（簡稱LENS）成形零件尺寸基本不受限制，尤其隨著目前萬瓦激光器的普及，成形效率得到了極大的提升，且性能與鍛件相當，但同樣由于成形成本高，難以在民用領域廣泛應用。

△等離子弧送絲金屬3D打印高溫合金典型框部件（GH3536，尺寸達980mm*500mm*55mm，毛坯重量80kg）和V形件（GH4169）（航空航天）

2020年10月21日，精合集團相關負責人告訴南極熊，鑒于金屬增材制造在民用領域的應用極大程度的受零件制造成本以及質(zhì)量、性能的影響，精合集團的兩家全資子公司西安鑫精合智能制造有限公司與天津鐳明激光科技有限公司共同研發(fā)了等離子弧送絲增材制造系統(tǒng)（LiM-P-WAAM），該設備的研發(fā)成功將會使得金屬增材制造的應用更加廣泛。

等離子弧送絲增材制造設備構(gòu)成

等離子弧送絲增材制造（P-WAAM，Plasma-Wire and Arc Additive Manufacture）由等離子弧作為熱源，掃描經(jīng)由零件分層得到的成形路徑，在金屬基板上形成一個移動的熔池，將外部填充的金屬絲材熔化而成的金屬熔滴，不斷的送入熔池，通過在成形路徑上逐層累積金屬材料，實現(xiàn)零件的成形。


△等離子弧送絲增材設備主要參數(shù)

LiM-P-WAAM包含等離子增材電源、增材機械結(jié)構(gòu)、增材電氣控制系統(tǒng)、增材專用路徑軟件、增材專用工藝等子系統(tǒng)。

△等離子弧增材設備


△等離子弧增材制造原理


等離子弧送絲增材制造系統(tǒng)以等離子電源作為熱源，能量密度可達100萬W/平方厘米以上，與激光相當。
原創(chuàng)矢量跟隨送絲系統(tǒng)

目前市面上等離子弧增材設備的送絲夾具固定在焊槍上，無法跟隨焊槍移動方向的改變而改變送絲方向。LiM-P-WAAM實現(xiàn)了無論掃描路徑如何變換，送絲方向始終保持前側(cè)向送絲，這項技術屬于世界首創(chuàng)，解決了送絲方向與成形方向不同而導致的成形缺陷這個電弧送絲技術的世界性難題，保證了各方向打印同性。其成形過程中焊接電流、送絲速度可單獨控制，在成形不同材料時，工藝參數(shù)可選擇性更多；成形原材料為金屬絲材，相對于激光粉末增材，材料利用率更高、成形效率更高。

LiM-P-WAAM尺寸支持定制，可實現(xiàn)大尺寸金屬構(gòu)件的增材制造以及各種金屬構(gòu)件的修復再制造。具有設備成本低、容易改裝、沉積速率高、節(jié)約原材料、不受尺寸限制和易于實時修復等諸多優(yōu)點。

自研等離子弧送絲增材制造軟件


△前處理軟件分區(qū)及路徑規(guī)劃示例

天津鐳明自主研發(fā)前處理軟件LiMAMS-WAAM，可實現(xiàn)四軸程序自動剖分，不僅具有傳統(tǒng)前處理軟件的功能，而且針對等離子成形的特點開發(fā)出諸多子程序，支持成形工藝參數(shù)自定義，如分區(qū)、層厚、路徑軌跡、送絲速度、焊接速度、焊接電流等參數(shù)均可自主設定，實現(xiàn)成形完全自動化。

△前處理軟件界面

等離子弧送絲增材成形材料和性能分析
等離子弧送絲增材制造可成形材料包括鋁合金、鎂合金、各類鋼合金、高溫合金、鈦合金等，幾乎可做成絲材的金屬材料均可進行等離子增材成形；性能與激光近凈成形性能相當，部分材料的性能高于鍛件標準。


△TC4 性能指標參數(shù)


△GH3536性能指標參數(shù)

等離子弧送絲增材成形部件展示

△等離子弧送絲金屬3D打印鈦合金TC4椎體（核電行業(yè)）

△等離子弧送絲金屬3D打印鈦合金上下蓋板（核電行業(yè)）


△等離子弧送絲金屬3D打印筒體（內(nèi)壁致密無缺陷）


等離子弧送絲增材成形應用分析

等離子弧送絲增材制造成形可實現(xiàn)各種大尺寸金屬構(gòu)件的增材制造以及各種金屬構(gòu)件的修復再制造。相比傳統(tǒng)鍛件機加工更節(jié)約材料，具有低成本、高效率的優(yōu)勢。
特殊材料（如高溫合金、鈦合金等）采用鍛造機加方式成形周期長、費用高。采用等離子弧送絲增材成形可縮短周期、降低成本；對一些難以直接機加成形的部件，更適合采用等離子增材成形。

等離子弧送絲增材成形不僅可以增材成形，而且可以用于等離子自動化焊接、等離子增材修復等關鍵工序。

等離子弧送絲增材成形成本分析

等離子增材成形設備不僅具有效率高、性能優(yōu)的特點，而且成本較低。等離子電源已實現(xiàn)國產(chǎn)化，核心部件電源成本僅相當于激光器的1/10，電子束發(fā)生器的1/30，成本優(yōu)勢相當可觀；成形所需原材料為絲材，同種材料的金屬絲材成本僅相當于金屬粉末的1/3，原材料價格極具競爭力。等離子弧送絲增材設備，成形效率高，送絲速度可達5m/min，效率可達350立方cm/h，鈦合金成形可達到1.5Kg/h，高溫合金甚至達到3Kg/h，與萬瓦激光器滿功率效率相當；等離子弧送絲增材設備成形鋁合金、鋼合金、高溫合金等材料無需惰性氣體保護，進一步降低了成形成本。

精合集團經(jīng)過快速發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)下設沈陽精合數(shù)控科技開發(fā)有限公司、天津鐳明激光科技有限公司、西安鑫精合智能制造有限公司、濰坊鑫精合智能裝備有限公司等多家公司。精合集團以金屬增材制造（3D打�。�為依托，面向航天、航空、航海、核電等高端制造領域，采用自主知識產(chǎn)權，專業(yè)從事金屬增材制造設計與優(yōu)化、復雜金屬構(gòu)件定制化3D打印制造、產(chǎn)品再制造與修復等服務，研發(fā)制造的多項產(chǎn)品已經(jīng)在超高速飛行器、衛(wèi)星、火箭、艦載機、無人機等行業(yè)進行批量應用，對我國的國防行業(yè)有重要意義