電弧增材制造 (WAAM) 的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)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(dòng)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(guó)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(hào)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(shì),。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(huì)降低零件的機(jī)械性能,，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)異常現(xiàn)象,，會(huì)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(duì)零件施加力時(shí),，它們會(huì)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(duì)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(duì)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(guó)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(dòng)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(jiǎn)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(guó)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(dòng)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(dòng)煙霧管理系統(tǒng),、惰性氣氛自動(dòng)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(guó)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(dòng)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(jiǎn)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(guó)防工業(yè),，其平臺(tái)的精度可縮短加工時(shí)間,。該公司已交付經(jīng)美國(guó)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(tái)機(jī)器和美國(guó)的九臺(tái)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(dòng)學(xué)控制將所有編程轉(zhuǎn)化為物理運(yùn)動(dòng),。

●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(tái)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(guó)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(cè)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(dòng)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(cè)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(píng)估和認(rèn)證的自動(dòng)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),。