電弧增材制造 (WAAM) 的優(yōu)勢、劣勢以及主要制造商！

電弧增材制造 (WAAM) 是定向能量沉積 (DED) 3D 打印的一種。DED 技術(shù)是金屬3D打印技術(shù)，可以通過安裝在多軸臂上的噴嘴沉積粉末或線材形式的金屬材料，使用激光或電子束或等離子體聚焦能量源料。WAAM 受電弧焊接啟發(fā)，使用電弧作為熱源。



WAAM 技術(shù)基于使用機(jī)器人系統(tǒng)的各種自動化焊接技術(shù)的原理，使用金屬惰性氣體 (MIG) 或金屬活性氣體 (MAG)、鎢極惰性氣體 (TIG) 或等離子弧焊絲 (PAW)。多種金屬都與 WAAM 兼容，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
與其他 DED 工藝一樣，WAAM 通常用于修復(fù)設(shè)備和制造不再制造的零件，以維護(hù)舊機(jī)器。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、能源和國防領(lǐng)域。它用于制造原型、模具、單個(gè)零件和小系列。盡管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。

●在航空航天領(lǐng)域，Naval Group 使用 WAAM 技術(shù)為 Andromède 號掃雷船制造螺旋槳。

●在能源領(lǐng)域，Vallourec使用 WAAM 生產(chǎn)了第一個(gè)密封環(huán)，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 利用WAAM技術(shù)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼連接器。

●MX3D 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 使用 WAAM 工藝在阿姆斯特丹建造了一座橋梁！

●Relativity Space使用這項(xiàng)技術(shù)來建造其Terran 1光發(fā)射器。


△來自日本領(lǐng)先建筑公司之一的連接器

WAAM 3D 打印具有許多優(yōu)勢。首先，打印速度高，可以節(jié)省大量的生產(chǎn)時(shí)間。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，有多種兼容金屬可供選擇。

技術(shù)的局限性
WAAM 流程也有其局限性，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，這些缺陷會降低零件的機(jī)械性能，對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，會可能導(dǎo)致零件尺寸或形狀變形，特別是通過卷曲、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)對零件施加力時(shí)，它們會導(dǎo)致零件支撐不良。


△Vallourec克在發(fā)電廠使用 WAAM 技術(shù)

為了限制這些缺陷的發(fā)生，有必要了解所有 WAAM 參數(shù)，以便盡可能準(zhǔn)確地設(shè)置它們。這將確保一致的熔融金屬沉積以及恒定的熱量。放卷速度、進(jìn)給速度、電流、電壓、層厚、保護(hù)氣體流量和珠間距都是確保工藝順利進(jìn)行的重要因素。

然而，也有一些技術(shù)解決方案可以緩解這些異常情況。這些包括機(jī)械加工硬化或軋制。該方法包括在冷卻階段用滾筒對焊道施加壓力，這減少了孔隙率。為了減少殘余應(yīng)力，可以對材料進(jìn)行預(yù)熱。需要注意，某些材料和合金比其他材料和合金更容易破裂或分層，例如鋁銅合金、鋁鈦合金和鋁鐵合金。

與其他增材制造技術(shù)一樣，WAAM也需要大量的精加工后處理，后處理采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝進(jìn)行。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。

WAAM 3D 打印機(jī)制造商

使用 WAAM 技術(shù)的 3D 打印機(jī)制造商包括 Prodways（其 3D 打印機(jī)采用 WAAM-TIG 工藝）、Norsk Titanium 及其內(nèi)部快速等離子沉積 (RPD™) 工藝、GEFERTEC、MX3D、WAAM3D 和 Lincoln Electric 等。

●AML3D


△AML3D的機(jī)械臂Arcemy WA(A)M 3D打印機(jī)

AML3D 是一家成立于 2014 年的澳大利亞 WAAM 3D 打印機(jī)制造商。該公司的 Arcemy 3D 打印機(jī)生產(chǎn)各種金屬和合金的大型工業(yè)產(chǎn)品，包括用于航空航天、國防和海洋工業(yè)的鈦、鋁、鎳、不銹鋼和碳鋼。Arcemy 的打印體積為 1,500 x 1,500 x 1,500 毫米。Arcemy 結(jié)合了焊接科學(xué)、機(jī)器人自動化、材料工程和專有軟件，通過逐層沉積熔融焊絲來生產(chǎn)零件。AML3D 將其 WAAM 技術(shù)稱為“WAM”，或者簡稱為“線弧制造”。與 WAAM 一樣，WAM 將電弧與焊絲相結(jié)合作為原料，生產(chǎn)中型至大型自由形狀零件或維修。

●WAAM3D


△WAAM3D 的 RoboWAAM 打印機(jī)

WAAM3D 成立于 2018 年，源自英國克蘭菲爾德大學(xué)的研究。WAAM3D 的 RoboWAAM 系統(tǒng)采用 Kuka 機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)、匹配材料和工藝要求的電源選擇、帶有傳感器套件的末端執(zhí)行器以及專有軟件。RoboWAAM 的打印體積為 2,000 x 2,000 x 2,000 毫米。整個(gè)系統(tǒng)可以通過 WAAMCtrl 軟件包從操作員桌面進(jìn)行控制，該軟件包補(bǔ)充了 WAAMPlanner 的路徑規(guī)劃和參數(shù)分配功能。RoboWAAM 還擁有各種屏蔽解決方案、具有過濾和再循環(huán)功能的自動煙霧管理系統(tǒng)、惰性氣氛自動凈化以及附加安全系統(tǒng)。


●Gefertec


△Gefertec Arc60x WAAM 金屬 3D 打印機(jī)

總部位于德國的 Gefertec 將弧焊技術(shù)和專門開發(fā)的帶有西門子控制的 CAM 軟件集成到一系列 3D 打印機(jī)中。該公司表示，任何使用機(jī)床的人都可以立即操作 Arc 機(jī)床系列。專為 WAAM 工藝設(shè)計(jì)的弧形機(jī) Arc40X 和 Arc60X 有 3 軸和 5 軸版本，可打印重達(dá) 3,000 公斤、最大尺寸為 3,000 x 3,000 x 3,000 毫米的組件。目前大約有 30 種合金（鋁、鋼、鎳基、鈦）可供選擇，且工藝可靠。Arc WAAM 打印機(jī)具有通過集成傳感器進(jìn)行溫度跟蹤、通過冷卻氣體進(jìn)行局部冷卻的冷卻系統(tǒng)、自動焊槍清潔系統(tǒng)和獨(dú)立的鈦模塊。Gefertec 與西門子 NX CAM 軟件的集成合作伙伴關(guān)系可簡化制造和過程相關(guān)的質(zhì)量監(jiān)控。

●Norsk Titanium


△Norsk Titanium

總部位于挪威的 Norsk Titanium 將其 WAAM 工藝稱為快速等離子沉積 (RPD)，因?yàn)樗�使用等離子弧焊在惰性氬氣環(huán)境中形成鈦絲。Norsk 專注于鈦合金，主要用于航空航天和國防工業(yè)，其平臺的精度可縮短加工時(shí)間。該公司已交付經(jīng)美國聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 批準(zhǔn)的鈦結(jié)構(gòu)件，并表示與傳統(tǒng)制造方法相比，其購買飛行比提高了 50% 至 75%。

Norsk Titanium最新的 WAAM 打印機(jī)是 Merke IV。目前，該公司最先進(jìn)的 Merke IV 機(jī)器的生產(chǎn)范圍為 900 x 600 x 300，新一代機(jī)器將具有更大的生產(chǎn)范圍。生產(chǎn)能力包括挪威的四臺機(jī)器和美國的九臺機(jī)器，以服務(wù)其當(dāng)前的客戶群。

●MX3D


△MX3D最初使用非封閉式機(jī)械臂，但后來逐漸轉(zhuǎn)向惰性環(huán)境 3D 打印機(jī)

荷蘭公司 MX3D 提供 M1 WAAM 打印機(jī)。與在阿姆斯特丹打印金屬橋的系統(tǒng)不同，M1 是一個(gè)封閉式系統(tǒng)，配備 8 軸 ABB 機(jī)器人 WAAM 設(shè)置、Fronius GMAW/CMT 焊接機(jī)和 MX3D 控制系統(tǒng)軟件。M1 還具有可互換的工具附件，可將現(xiàn)有設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌显鰷p系統(tǒng)。MX3D 軟件 MetalXL 可管理刀具路徑生成并將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令和打印策略。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制將所有編程轉(zhuǎn)化為物理運(yùn)動。

●Addilan


△Addilan

西班牙 WAAM 打印機(jī)初創(chuàng)公司 Addilan 于 2018 年推出了第一臺商用 WAAM 等離子技術(shù)機(jī)器，此后將其技術(shù)瞄準(zhǔn)了航空航天、國防和海洋工業(yè)。目前，其網(wǎng)站上列出了兩款混合打印機(jī)：Addilan Arclan P1200-4X 和 Addilan Arclan 1000-5x。雖然最新添加的技術(shù)細(xì)節(jié)仍有待分享，但 Arclan P1200-4x 擁有自己的 CNC、閉環(huán)控制系統(tǒng)、惰性室以及高達(dá) 6 公斤/小時(shí)的沉積速率。打印機(jī)經(jīng)可最大限度地提高鈦、超合金和鋁合金零件的 WAAM 性能，配備等離子炬和惰性室，該公司表示可提高金屬性能。

●RamLab


△RamLab為其機(jī)器提供監(jiān)控系統(tǒng)

荷蘭的 RamLab 現(xiàn)已發(fā)展到提供打印服務(wù)和 MaxQ WAAM 監(jiān)測和控制系統(tǒng)。MaxQ 由傳感器和軟件套件組成，可與您現(xiàn)有的松下焊接機(jī)器人集成，有效地將其轉(zhuǎn)變?yōu)?WAAM 機(jī)器。MaxQ 可實(shí)現(xiàn) WAAM、機(jī)器人焊接和維修的生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)和認(rèn)證流程自動化。如果您沒有自己的硬件，RamLab 與 Valk Welding 合作，為 MaxQ 提供標(biāo)準(zhǔn)化和定制設(shè)計(jì)的 Panasonic 焊接系統(tǒng)。

MaxQ 系統(tǒng)具有異常檢測和警報(bào)、焊接參數(shù)分析（包括電流、電壓、速度、送絲速度、氣體流量等）以及用于評估和認(rèn)證的自動數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告功能。在 RamLab，Autodesk 的軟件產(chǎn)品 PowerShape 和 PowerMill 用于創(chuàng)建 CAD 和 CAM 文件。PowerShape 用于（重新）設(shè)計(jì) WAAM 組件，而 PowerMill 用于刀具路徑規(guī)劃和仿真。使用 PowerMill 制作的刀具路徑可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器直接上傳到 MaxQ 應(yīng)用程序，然后開始生產(chǎn)。