WAAM線電弧增材制造：金屬的3D打印

【資料簡(jiǎn)介】

線電弧增材制造（WAAM）在多個(gè)行業(yè)引起了人們的極大興趣，基于電弧的制造通過(guò)增加層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)組件幾何的高度靈活性。尤其對(duì)于原型和小批量生產(chǎn)而言，WAAM是一種比其他金屬添加劑工藝更具成本效益的解決方案。決定生產(chǎn)零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素是焊接工藝。Fronius的冷金屬轉(zhuǎn)移可有效滿足電弧焊增材制造的所有條件。

 增材制造方法通過(guò)逐層堆積材料來(lái)生成組件。其廣被人知的例子是3D打印。基于電弧焊工藝的WAAM還逐層生產(chǎn)金屬零件，這些零件由熔絲電極形成。當(dāng)必須生產(chǎn)復(fù)雜的零件幾何形狀時(shí)，這種生成方法特別有利，因?yàn)樵O(shè)計(jì)選擇實(shí)際上是無(wú)限的。此外，零件可以低成本快速地制造，這使WAAM成為原型制造和/或小批量生產(chǎn)的具有吸引力的選擇。加工時(shí)間，金屬器具磨損和加工過(guò)程中的材料損失-尤其是使用從實(shí)體塊中銑出工件的傳統(tǒng)方法-都意味著大量的額外成本。

什么是WAAM？

有許多金屬生成方法。從本質(zhì)上講，這些可以分為兩種基本類型：基于粉末的工藝和基于線材的工藝。在基于粉末的工藝中，使用熔融金屬粉末來(lái)構(gòu)建各層。常見(jiàn)的方法是粉末床處理，可產(chǎn)生極其精確的結(jié)果，但生產(chǎn)速度有些慢。另一方面，基于線的工藝通過(guò)熔化線形填充金屬來(lái)構(gòu)建部件，這需要使用激光，電子束或電弧。這些工藝具有較高的沉積速率，因此有助于縮短生產(chǎn)時(shí)間。

電弧焊增材制造是一種基于焊絲的工藝，并使用氣體保護(hù)金屬電弧焊工藝（GMAW）。WAAM本身除了具有高沉積速率外（鋼鐵材料每小時(shí)高達(dá)4千克）還具有許多優(yōu)勢(shì)。將來(lái)，多線解決方案可能會(huì)帶來(lái)更高的沉積速率。設(shè)備和材料成本也是重要的標(biāo)準(zhǔn)，這是WAAM的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：您所需要的就是合適的焊接系統(tǒng)。不需要昂貴的設(shè)備，例如更快的電子束處理所需的真空室。

與基于粉末的工藝相比，WAAM可以立即獲得多種認(rèn)證電線類型的好處。粉末基材料的選擇相對(duì)較少，因?yàn)槭褂媒饘俜勰┦且环N相對(duì)較新的技術(shù)，因此可能需要數(shù)年時(shí)間才能獲得必要的認(rèn)證和生產(chǎn)數(shù)據(jù)表。

堅(jiān)固層的“冷”焊接工藝

穩(wěn)定的焊接過(guò)程和有效的散熱對(duì)于WAAM至關(guān)重要。焊接過(guò)程需要足夠低的能量，以使得在應(yīng)用新層時(shí)，現(xiàn)有層不會(huì)再次熔化。換句話說(shuō)，該過(guò)程需要盡可能“冷”。此外，焊接層需要連續(xù)，無(wú)飛濺且一致。如果發(fā)生任何缺陷，這些缺陷將在每個(gè)后續(xù)層中復(fù)制。

Fronius的CMT GMAW工藝及其工藝控制變型滿足了這些要求。它們會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，并具有較長(zhǎng)的短路時(shí)間，從而可控制短路。這意味著熱量輸入較低，并且材料轉(zhuǎn)移幾乎沒(méi)有飛濺，這有助于防止缺陷。

CMT的兩個(gè)過(guò)程控制變量特別適合WAAM。一種是CMT添加劑工藝特性，已針對(duì)WAAM進(jìn)行了優(yōu)化。它實(shí)現(xiàn)了高沉積速率，同時(shí)幾乎沒(méi)有熱量傳遞到組件中。CMT循環(huán)步長(zhǎng)變體通過(guò)在過(guò)程階段控制電弧的滅弧，進(jìn)一步降低了電弧功率。然而，因?yàn)槌练e速率較低，所以這種特別的“冷”工藝確實(shí)需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)形成層。

真實(shí)的WAAM應(yīng)用

已經(jīng)使用Fronius的焊接技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)了無(wú)數(shù)WAAM組件。其中包括用于電子行業(yè)的風(fēng)扇葉輪，它們由高級(jí)材料制成。由于高材料消耗率，銑削工件非常昂貴，而鑄造并不總是能夠滿足僅1.5毫米厚的壁所需的關(guān)鍵冶金性能。使用基于CMT Cycle Step的WAAM，這些風(fēng)扇葉輪葉片可以使用添加方法由鎳基合金制成。甚至可以使用WAAM維修組件。

Fronius還與航天領(lǐng)域的合作伙伴一起實(shí)施了另一項(xiàng)應(yīng)用程序。鈦由于其抗張強(qiáng)度，回彈性，耐腐蝕性和低重量而成為飛機(jī)制造中的常用材料。大多數(shù)零件都是使用減法制造的，因此至多可以銑削90％的材料。這導(dǎo)致高成本，長(zhǎng)加工時(shí)間和昂貴的工具磨損。另一方面，使用WAAM生產(chǎn)的組件僅需重新加工即可產(chǎn)生光滑的表面。使用CMT添加劑工藝生產(chǎn)的鈦成分不會(huì)出現(xiàn)任何缺乏熔合的問(wèn)題，并且具有令人印象深刻的冶金性能。可以減少工具成本，加工時(shí)間和磨損，這意味著可以降低整體加工成本。

WAAM：經(jīng)濟(jì)而靈活

這使WAAM成為零件生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)高效且靈活的替代方案。使用Fronius的焊接技術(shù)和CMT解決方案，可以相對(duì)輕松地采用添加工藝。