取PBF和WAAM兩家之長，工程師開發(fā)出用于小型金屬零件的新型μ-WAAM技術(shù)

2022年2月10日，南極熊獲悉，里斯本NOVA大學的一個研究小組開發(fā)了一種新形式的線弧增材制造（WAAM），專門為小零件和精細特征細節(jié)而設(shè)計。

值得注意的是，這項命名為μ-WAAM的高精度3D打印技術(shù)使用的原料是直徑僅為250微米的金屬線材料。就市場背景而言，傳統(tǒng)的WAAM通常使用直徑在1毫米以上的金屬絲。它旨在提供精度和打印速度，將粉末床熔融（PBF）的分辨率與傳統(tǒng)WAAM的沉積率和材料效率相結(jié)合。

據(jù)NOVA的研究人員說，新的μ-WAAM方法特別適合于制造薄壁和其他復雜的結(jié)構(gòu)，而在大規(guī)模的WAAM方面會有困難。

△μ-WAAM 3D打印機的細節(jié)。圖片來自里斯本國立大學。

PBF與WAAM 3D打印

如果你正在尋找較小規(guī)模的制造金屬部件，PBF是3D打印技術(shù)的首選。這種方法是利用激光或電子束在粉末床中熔化和融合粉末原料，在每一層之后進行重涂和重印，以制造固體三維部件。由于使用點狀激光，PBF提供了較高的幾何精度，但卻受到低沉積率和高粉末浪費的制約。

△與選擇性激光熔化（SLM）和傳統(tǒng)WAAM相比，使用μ-WAAM的理由示意圖，其目標是同時提高沉積率和零件精度。圖片來自里斯本國立大學。

另一方面，那些尋求大型部件生產(chǎn)的人可能會發(fā)現(xiàn)，選擇線進式定向能量沉積（DED）工藝是有用的。雖然WAAM的打印分辨率較低，但它擁有相對較高的材料沉積率，使其非常適合于海事等行業(yè)的大型部件應(yīng)用。

△通過WAAM 3D打印的大型部件存在分辨率低的問題。照片來自WAAM3D有限公司。

μ-WAAM 3D打印機

為了將兩個領(lǐng)域特定技術(shù)的優(yōu)點結(jié)合起來，NOVA的研究人員開發(fā)了一個定制的μ-WAAM電弧焊槍和一個小型龍門系統(tǒng)。很像一臺普通的FFF機器，μ-WAAM打印機是基于笛卡爾坐標系，并利用線性軸承和傳統(tǒng)的步進電機。

據(jù)該團隊稱，送絲裝置的靈感來自FFF 3D打印機中的長絲擠出機，一個驅(qū)動齒輪由一個壓縮在徑向軸承下的步進電機驅(qū)動。

為了與送絲裝置建立電接觸，該團隊使用了一個0.3毫米的黃銅噴嘴。此外，一個標準的12V/100Ah電池被用作動力源。在這種情況下，需要一個電池，因為傳統(tǒng)的焊接源根本無法提供足夠的I-V特性來產(chǎn)生這樣一個小的焊接電弧。諾瓦公司的研究人員甚至整合了氬氣保護氣體，以避免工藝引起的缺陷，如孔隙，同時保護焊絲材料免受氧化。

那么，它的效果如何？為了測試μ-WAAM 3D打印機，該團隊讓它用鋼絲打印出一些薄壁結(jié)構(gòu)。PBF只能達到約2克/分鐘的構(gòu)建速度，而μ-WAAM的速度高達5克/分鐘。這仍然比不上傳統(tǒng)WAAM的沉積率，后者可以達到18.5g/min左右，但考慮到定制系統(tǒng)的尺寸，這一點令人印象深刻。

當涉及到尺寸精度時，WAAM可能只能提供±0.7毫米的精度，這就是為什么需要進行大量的后處理以實現(xiàn)高質(zhì)量的表面處理。另一方面，μ-WAAM工藝設(shè)法實現(xiàn)了小于0.3毫米的尺寸精度。同樣，這并不像PBF（±0.04毫米）那樣精確，但在兩種傳統(tǒng)技術(shù)之間提供了一個很好的萬能中間地帶。

最終，這項工作成功地驗證了WAAM的一個新變種，將該技術(shù)的規(guī)�？s小以適應(yīng)更精細的特征細節(jié)和薄壁。μ-WAAM方法也許不是完美的，但它連接了PBF和WAAM的優(yōu)點，解決了兩者的一些痛點。

△使用μ-WAAM 3D打印的金屬零件。照片來自NOVA里斯本大學。

有關(guān)該研究的更多細節(jié)可在題為 "Micro Wire and ArcAdditive Manufacturing (μ-WAAM)"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... ?via%3Dihub#fig0001

上個月在一項類似的研究中，美國加州州立大學洛杉磯分校和土耳其EskisehirOsmangazi大學的工程師們開發(fā)了一種低成本的WAAM 3D打印機，只需1000美元就可以制造。通過將氣體鎢極氬弧焊（GTAW）技術(shù)整合到一個類似于FDM的龍門架設(shè)置中，研究人員能夠創(chuàng)造出一臺不依賴復雜機械臂的機器，使他們能夠保持其價格低廉和開放源代碼。

在工業(yè)領(lǐng)域，金屬WAAM技術(shù)的開發(fā)商MX3D最近公布了其新的部分3D打印的 "WAAM夾子"。這個混合的工業(yè)部件是一個管道鉗的例子，這是一個用于密封化學和石油天然氣部門的高壓泄漏的部件。WAAM夾子重達87公斤（其中30公斤是3D打印的），其制造時間為45小時。