電弧金屬3D打印的未來之路：替代部分鑄造工業(yè)

導讀：相較于傳統(tǒng)鑄造加工模式而言,，電弧增材制造（WAAM）可以大幅度縮短工件的交付時間，同時提供了更多的設計可能性,。憑借著它的即時生產能力，它可以完美實現(xiàn)“今天設計、明天投產”的新型制造模式,。
△南京英尼格瑪?shù)男⌒碗娀〗饘?D打印機

林肯電氣增材解決方案公司的業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Mark Douglass說："鑄件的生產制造是一個復雜且漫長的過程，因為他受到傳統(tǒng)制造模式多重步驟的限制,。如今,，我們的一個合作伙伴——位于俄亥俄州的Euclid公司已經(jīng)使用18臺WAAM機器人，通過金屬沉積進行3D打印,，為大型金屬部件提供生產能力,，從而達到了替代鑄造工件的效果。這項技術在covid-19疫情大流行期間展現(xiàn)出的優(yōu)勢變得很明顯,，因為供應鏈被打破和拉長了,。增材制造可以在三或四周內提供大型金屬部件，而通過鑄造獲得相同部件的準備時間很容易達到五倍之多,，在疫情時期可能會更長,。“

△通過WAAM生產大型零件

上圖是位于俄亥俄州Euclid的林肯電氣公司的增材制造工廠正在制作的一個零件，它是藝術家Jenny Sabin為內布拉斯加大學醫(yī)學中心創(chuàng)作的雕塑部件,，看起來有兩米左右的樣子,，但這也從側面說明了WAAM在生產非常大的結構方面的自由。像這樣的大部件可以被焊接在一起,，產生非常大的形狀,，因為正如Douglass（右）所解釋的，無論如何,，線弧增材制造工藝的基礎原理就是焊接,。

電弧增材制造的價值

但電弧增材制造技術的價值是什么呢？Douglass解釋說：“這個問題缺乏一個準確的答案,，可能是看到WAAM作為一種新型生產模式,，能夠起到部分替代鑄造的作用。

事實上,，增材制造擁有著很大程度上的設計自由,，以及它可以實現(xiàn)的精心設計的零件幾何形狀和材料組合，還有在生產過程中隨意改變設計的機會,。在合理化生產過程的選擇中,，增材的自由度比傳統(tǒng)工藝的自由度大得多，交貨時間也可能短得多,，但業(yè)界一般還沒有評估這些優(yōu)勢的標準措施或辦法,。

電弧增材制的局限性

當然，電弧金屬3D打印還有著其他方面的限制,。材料成本就是其中之一,，因為電弧增材中的線材必須以適合這種工藝的方式交付。Douglass表示："面對成百上千個零件訂單,，我們在成本上沒有競爭力,，鑄造毫無疑問會以數(shù)量取勝。但是,，如果數(shù)量在10個左右,，增材確實會勝出，不過目前通過鑄造生產的許多生產零件也都是以小批量生產的,。增材制造帶來的自由,，使其能夠輕松地改變幾何形狀，形成更多樣化的零件系列,，隨著時間的推移,，有望將更多的工作納入這一范圍內�,！�

△克利夫蘭地區(qū)的增材解決方案工廠使用機器自動化WAAM,。

正如上圖所展示的,，當涉及到在工作空間周圍以不同角度沉積材料時，機器人比封閉式機器提供了更大的自由,。同時,，通過金屬沉積法生產的焊接件在內部質量上更加穩(wěn)定，其性能更接近于鍛造材料,，這也證實了WAAM技術強大的制造能力,。

應用前景

WAAM在制造工具方面已經(jīng)實現(xiàn)了飛躍。目前,，航空航天和其他制造商多數(shù)采用WAAM系統(tǒng)來制造金屬和復合材料工具,，它可以縮短交貨時間和加快零件制造速度�,？死�夫蘭的大尺寸機器人WAAM采取了與其他3D打印工藝相同的路線,。WAAM的不同之處在于，它已經(jīng)被廣泛接受和了解,，因為它的原理是基于已經(jīng)使用了一個多世紀的焊接工藝,，盡管他在本質上仍與傳統(tǒng)的焊接技術有著一定的不同。

當今WAAM技術的主要應用對象是航空工業(yè)的大型工具,，上圖可以看到的是一種復合材料鋪層工具,，其中工作表面是由 Invar 3D 打印的。

林肯電氣公司專業(yè)從事焊接的時間已有125年之久,，該公司擁有依賴其焊接系統(tǒng)的大型客戶,，包括知名的重工業(yè)OEM，他們也對實現(xiàn)增材的靈活性和成本節(jié)約潛力感興趣,。此外,，林肯電氣公司還因在自己的組織內開發(fā)和生產焊接系統(tǒng)的所有部件，包括電源,、焊槍和材料而備受矚目,。

△WAAM制造的多接口

上圖是WAAM的一個管路接頭的演示作品，請注意構建圖層線并非全部平行,，這是由于機器人沉積允許在同一周期內以不同的角度構建不同的特征,，這一作品是為了探索在建造海上石油平臺時使用增材制造多通道接頭替代方案的可行性,。

影響WAAM質量的因素

WAAM屬于焊接,，但它是連續(xù)的焊接，涉及到精細堆積焊點,，這也對涉及該工藝的每個過程都提出了挑戰(zhàn),，包括沉積、冶金,、機器自動化,，甚至是精加工,。此外，軟件也是決定WAAM質量的一個關鍵要素,。通過焊接進行沉積不僅僅是工具路徑（或焊槍通道）的問題,，而且還受到電流波形的頻率和振幅的影響。Douglass說："一個傳統(tǒng)的CAM軟件公司不太可能開發(fā)這種專門匹配WAAM工藝的軟件,，但林肯公司做到了,。

焊接材料是另一個重要的影響因素，標準的絲材可以在WAAM中使用,，但如何矯正從線軸中抽出焊絲的扭曲度并使它的進給量足夠好,，以便進行可控的沉積，這都是優(yōu)化WAAM需要解決的問題,。

WAAM技術的另一個有應用前途的案例是大型機器的替換部件,，林肯電氣公司內部目前也在開展相關方面的研究工作。Douglass說：“從目前制造商對增材技術的接受程度和應用狀況來看,，我們還必須進一步推廣這項技術的使用,，以便不斷改進它，開拓市場,�,！�

通過WAAM制造零件有著極短的供應鏈，相較于從海外鑄造廠運來的大型鑄件,，金屬3D打印完全可以實現(xiàn)本土制造和加工相同的零件,，然后運給位于同一地區(qū)的客戶。

為了讓機器人有足夠的高度到達背景中的零件頂部,，并在一次循環(huán)中全部打印出來,，林肯電氣首先3D打印了前景中安裝機器人的基座。

對于那些需要大型的,、相對低數(shù)量的鑄件的買家,，WAAM是一個絕對合理的選擇。例如壓力容器此前都是通過鑄造完成的,，這一過程有著長達16至18周的延遲,，而WAAM可以將這一時間縮短至4至5周。通過WAAM完成容器毛坯,，然后是精修加工,，再加上優(yōu)越的冶金性能，就可以完整地交付部件,。不過WAAM部件距離實際應用仍存在著一定障礙,，根據(jù)ASME標準制造的這些容器必須使用符合特定規(guī)范的焊接程序，而問題就在于WAAM的焊接程序一直沒有一個規(guī)范的,、標準化的鑒定方法,。

WAAM的標準化道路

WAAM的標準很重要,，它是壓力容器制造商需要遵守的法則。行業(yè)標準的重要作用是為定義預期的零件性能和質量設定一個共同遵守的行業(yè)基線,。要使用WAAM,，它必須以某種方式遵守這些標準。

WAAM類似焊接,，但卻又不是焊接,，它們主要的區(qū)別在于焊接不需要連續(xù)沉積，而增材制造需要,。圖中所展示的測試設置探索了這種差異,，在管道上進行3D打印是噴嘴壽命評估的一部分。

在2021年的10月底,，林肯電氣公司已經(jīng)宣布在WAAM標準化制定方面取得了一定進展,。這要歸功于林肯電氣增材解決方案團隊成員參與討論，相關的ASME規(guī)范現(xiàn)在已經(jīng)增加了一種方法來鑒定氣體金屬電弧增材制造,。使用低碳鋼合金的WAAM程序已經(jīng)根據(jù)該系統(tǒng)進行了鑒定,。

Douglass說，現(xiàn)在推進電弧增材制造需要與相關行業(yè)系統(tǒng)和標準進行接軌,，這已經(jīng)不再是技術發(fā)展的問題,。技術開發(fā)仍在進行中，但技術已經(jīng)足夠成熟,，甚至已經(jīng)實現(xiàn)了小批量生產�,，F(xiàn)在更大的挑戰(zhàn)在于：眾人對WAAM的信心是否還在？如何實現(xiàn)WAAM的盈利,？WAAM行業(yè)未來的生產模式究竟是怎樣,？這些問題，南極熊也想知道答案,，但可以肯定的是,，WAAM如今作為增材制造領域主要研究方向，未來一定會向著更加成熟化,、標準化的道路邁進,。

中國的電弧金屬3D打印

據(jù)南極熊了解，在中國,，也有一些做得不錯的電弧熔絲金屬3D打印廠商,，特別是南京英尼格瑪。在電弧增材制造方面,，南京英尼格瑪算是業(yè)內最早涉足的企業(yè)之一,，已在這個行業(yè)深耕了十年之久，已掌握了電弧增材制造的整套技術,，包括裝備,、工藝、軟件和材料等,，目前在國內乃至國際已處于領先的地位,。

電弧金屬3D打印