探索WAAM在金屬3D打印中的潛力

南極熊導(dǎo)讀：電弧增材制造（WAAM）技術(shù)通過(guò)電弧熔化金屬逐層構(gòu)建零件。它在航空、航天等領(lǐng)域的成功應(yīng)用展現(xiàn)了高速打印、低成本和制造超大零件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，WAAM也面臨細(xì)節(jié)和尺寸精度的挑戰(zhàn)，可能出現(xiàn)內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力。本文探討WAAM技術(shù)的利與弊，助您深入了解其在工業(yè)中的前景。

“電弧增材制造（WAAM）是定向能量沉積（DED）3D打印技術(shù)的一個(gè)重要分支。這種技術(shù)主要應(yīng)用于金屬3D打印領(lǐng)域，它通過(guò)安裝在多軸臂上的噴嘴，以粉末或線材形式沉積金屬材料。DED技術(shù)使用聚焦能量源，如激光、電子束或等離子體，以在逐層構(gòu)建零件時(shí)熔化材料。受電弧焊接技術(shù)的啟發(fā)，WAAM采用電弧作為熱源，有效地實(shí)現(xiàn)了金屬零件的精確打印。

WAAM技術(shù)基于使用機(jī)器人系統(tǒng)的各種自動(dòng)化焊接技術(shù)的原理：金屬惰性氣體（MIG）或金屬活性氣體（MAG）、鎢極惰性氣體（TIG）或等離子弧焊絲（PAW）。還有冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）焊接工藝，源自MIG，由Fronius于2004年創(chuàng)建。多種金屬都與WAAM兼容，其中包括鈦、鋁、鎳和鋼合金等。

△Naval Group的3D打印螺旋槳

WAAM 3D打印的應(yīng)用

與其它金屬3D打印工藝一樣，WAAM通常用于修復(fù)設(shè)備和復(fù)制不再制造的零件，以維護(hù)舊機(jī)器。然而，該技術(shù)也可用于制造完整的零件。WAAM特別用于航空、航天、汽車、能源和國(guó)防領(lǐng)域。它用于制造原型、模具、單個(gè)零件和小系列。然而，盡管它特別適合制造大型金屬零件，但其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用仍在審查中。

△3D打印鋼連接器

例如，在航空航天領(lǐng)域，Naval Group使用WAAM技術(shù)為Andromède號(hào)掃雷船制造螺旋槳。在能源領(lǐng)域，瓦盧瑞克使用WAAM生產(chǎn)了第一個(gè)密封環(huán)，以確保EDF Hydro水力發(fā)電裝置的安全，該密封環(huán)直徑一米，重100公斤。在機(jī)器人領(lǐng)域，MX3D還利用該技術(shù)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼連接器。MX3D還使用WAAM制造石油和天然氣行業(yè)的管道連接器，以及大型機(jī)器的齒輪和定制組件。MX3D甚至使用WAAM工藝在阿姆斯特丹建造了一座橋梁！而且，Relativity Space使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)建造其Terran 1光發(fā)射器。另外，塑料工業(yè)模具的生產(chǎn)是另該技術(shù)的另一種常見(jiàn)應(yīng)用之一。

WAAM 3D打印具有許多優(yōu)勢(shì)。首先，打印速度高，這對(duì)生產(chǎn)時(shí)間產(chǎn)生積極影響。成本也低于使用粉末床熔融技術(shù)的機(jī)器，特別是選擇性激光熔化（SLM）。WAAM技術(shù)還因其生產(chǎn)超大零件的能力而脫穎而出。正如已經(jīng)提到的，還有多種兼容金屬可供選擇。

△瓦盧瑞克在發(fā)電廠使用WAAM技術(shù)

技術(shù)的局限性

WAAM流程也有其局限性。由于它允許更快的打印，因此與粉末床融合技術(shù)相比，零件的細(xì)節(jié)和尺寸精度的再現(xiàn)效果較差。使用WAAM技術(shù)制造的零件可能存在內(nèi)部孔隙等缺陷，這些缺陷會(huì)降低零件的機(jī)械性能，無(wú)論是靜態(tài)還是疲勞（當(dāng)零件受到各種力時(shí)，導(dǎo)致?lián)p壞）。對(duì)于鋁制零件尤其如此。

殘余應(yīng)力是WAAM技術(shù)可能出現(xiàn)的另一個(gè)異�，F(xiàn)象。它們可能導(dǎo)致零件尺寸或形狀變形，特別是通過(guò)卷曲、翹曲或分層。所有這些現(xiàn)象的特點(diǎn)是打印部件各層變形，無(wú)論是頂部、底部，還是分層情況下的所有層。這些變形是由極高的工作溫度和材料的技術(shù)性質(zhì)引起的。當(dāng)對(duì)零件施加力時(shí)，它們會(huì)導(dǎo)致零件支撐不良。

△使用WAAM技術(shù)的MX3D 3D打印機(jī)

為了避免這些缺陷，我們必須了解所有WAAM參數(shù)，以便準(zhǔn)確設(shè)置，確保一致的金屬沉積和熱量保持穩(wěn)定。放卷速度、進(jìn)給速度、電流、電壓、層厚、保護(hù)氣體流量和珠間距等，都是確保工藝順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。

此外，存在一些技術(shù)解決方案可減輕異常情況，如機(jī)械加工硬化或軋制。這種方法涉及在冷卻階段使用滾筒對(duì)焊道施加壓力，從而降低孔隙率。為減少殘余應(yīng)力，可以對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱。需要注意的是，某些材料和合金相較于其他，如鋁銅合金、鋁鈦合金和鋁鐵合金更容易破裂或分層。

與其它增材制造技術(shù)一樣，WAAM也需要大量的精加工后處理，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝。在一些WAAM應(yīng)用中，可以在打印階段使用第二個(gè)機(jī)器人進(jìn)行加工，進(jìn)一步優(yōu)化制造過(guò)程或改善打印結(jié)果。