úvod do aditivní výroby drátěným obloukem

Představte si, že vytváříte velké, robustní kovové díly vrstvu po vrstvě, a to nikoli subtraktivními výrobními technikami, jako je obrábění, ale pečlivým přidáváním materiálu. Tato transformační technologie je Aditivní výroba drátěným obloukem (WAAM), která je připravena změnit způsob výroby důležitých komponentů v různých průmyslových odvětvích.

Princip fungování aditivní výroby pomocí drátěného oblouku

Technologie WAAM, známá také pod názvem Directed Energy Deposition-Arc (DED-Arc), spadá pod technologii 3D tisku Direct Energy Deposition (DED). Využívá řízený elektrický oblouk jako zdroj tepla k tavení spotřebního kovového drátu. Tento roztavený kov se pak pečlivě nanáší vrstvu po vrstvě a vytváří požadovanou 3D strukturu.

Představte si to jako high-tech svařování na steroidech. Namísto jednoduchého spojování existujících kusů vytváří WAAM zcela nové objekty od nuly. Robotické rameno přesně manévruje s drátěným přívodem a svařovacím hořákem podle předem naprogramovaného digitálního plánu. Jakmile každá vrstva ztuhne, nanese se na ni nová, čímž digitální návrh postupně ožívá.

Charakteristiky procesu Aditivní výroba drátěným obloukem

WAAM nabízí několik výrazných výhod oproti tradičním výrobním metodám:

• Vysoká rychlost ukládání: V porovnání s práškovými technikami 3D tisku kovů se WAAM může pochlubit výrazně vyšší rychlostí nanášení. To se promítá do kratších výrobních časů, zejména u velkých komponent.
• Účinnost materiálu: WAAM využívá drát jako vstupní surovinu, čímž minimalizuje materiálový odpad ve srovnání se subtraktivními výrobními procesy, které z pevného bloku odstraňují přebytečný materiál.
• Velkoplošný tisk: Společnost WAAM vyniká při vytváření velkých a složitých kovových konstrukcí. Na rozdíl od některých práškových metod omezených velikostí stavební komory mohou systémy WAAM pracovat v otevřeném prostředí, což umožňuje výrobu masivních objektů.
• Všestrannost materiálu: WAAM je kompatibilní s celou řadou kovových slitin, včetně oceli, hliníku, niklových slitin a titanu. Toto široké spektrum materiálů je vhodné pro různé aplikace vyžadující specifické mechanické vlastnosti.

Systém WAAM má však také svá omezení, která je třeba vzít v úvahu:

• Povrchová úprava: Proces nanášení roztaveného kovu v systému WAAM může vést k hrubší povrchové úpravě ve srovnání s některými práškovými metodami. K dosažení hladšího povrchu mohou být v závislosti na aplikaci nutné následné techniky zpracování, jako je broušení nebo obrábění.
• Zbytkové napětí: Rychlé cykly zahřívání a ochlazování, které jsou pro WAAM typické, mohou v tištěném dílu vyvolat zbytkové napětí. To je třeba řešit vhodným tepelným zpracováním nebo konstrukčním řešením, aby byla zajištěna rozměrová stabilita a zabránilo se případnému praskání.
• Přesnost: Ačkoli WAAM nabízí působivé rozlišení, nemusí se vyrovnat jemným detailům dosažitelným některými práškovými technikami. Volba závisí na rozměrových tolerancích a požadavcích na složitost konkrétního dílu.

Kovové prášky pro Aditivní výroba drátěným obloukem

Zatímco WAAM využívá kontinuální drátové suroviny, je nezbytné porozumět vlastnostem příslušných kovových prášků používaných k výrobě těchto drátů. Zde je rozpis některých kovových prášků, které se běžně používají ve WAAM:

Materiál	Složení	Vlastnosti	Aplikace
Nízkouhlíková ocel (SAE 1005, AISI 1008)	Fe (železo) s minimálním obsahem uhlíku	Vysoká tažnost, dobrá svařitelnost, vynikající obrobitelnost	Konstrukční prvky pro všeobecné použití, držáky, skříně
Vysokopevnostní nízkolegovaná ocel (HSLA) (ASTM A514)	Fe s vyšším obsahem uhlíku a mikrolegujících prvků, jako je mangan, vanad a niob	Lepší poměr pevnosti a hmotnosti, dobrá houževnatost	Stavební zařízení, dopravní komponenty, tlakové nádoby
Nerezová ocel (304L, 316L)	Fe s chromem, niklem a molybdenem pro odolnost proti korozi	Výborná odolnost proti korozi, dobrá tvarovatelnost	Zařízení pro zpracování potravin, lékařské přístroje, nádrže pro zpracování chemikálií
Hliník (AA 5356, AA 6061)	Al (hliník) s hořčíkem pro zvýšení pevnosti	Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, dobrá odolnost proti korozi	Letecké komponenty, automobilové díly, námořní aplikace
Slitiny niklu (Inconel 625, Inconel 718)	Ni (nikl) s chrómem, molybdenem a dalšími prvky pro vysokoteplotní provoz	Výjimečná pevnost a odolnost proti oxidaci při zvýšených teplotách	Komponenty pro plynové turbíny, výměníky tepla, tlakové nádoby pro drsné prostředí
Titan (Ti-6Al-4V)	Ti (titan) s hliníkem a vanadem pro zvýšení pevnosti	Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, vynikající biokompatibilita	Letecké komponenty, biomedicínské implantáty, sportovní zboží

Tato tabulka poskytuje přehled o různých kovových prášcích používaných v drátěných surovinách WAAM. Konkrétní výběr materiálu závisí na požadovaných mechanických vlastnostech, odolnosti proti korozi a požadavcích na aplikaci.

Další úvahy:

• Průměr drátu: Průměr vstupního drátu hraje u WAAM rozhodující roli. Silnější dráty umožňují rychlejší depozici, ale mohou mít za následek hrubší povrchovou úpravu. Naopak tenčí dráty nabízejí jemnější detaily, ale vedou k pomalejším časům vytváření. Optimální průměr závisí na požadované rovnováze mezi rychlostí vytváření, rozlišením a potřebami následného zpracování.
• Kvalita drátěných surovin: Pro úspěšný tisk WAAM je nezbytný stejný průměr drátu, minimální povrchové vady a správné chemické složení. Vysoce kvalitní drátová surovina zajišťuje hladké nanášení, minimalizuje rozstřik (kapičky roztaveného kovu vystřikované během svařování) a poskytuje předvídatelné mechanické vlastnosti hotového dílu.

Vývojové trendy Aditivní výroba drátěným obloukem

WAAM je rychle se vyvíjející technologie. Zde je několik zajímavých trendů, které určují její budoucnost:

• Hybridní systémy WAAM: Integrace technologie WAAM s dalšími aditivními výrobními technikami, jako je fúze v práškovém loži, získává na popularitě. To umožňuje kombinovat výhody vysoké rychlosti nanášení WAAM pro velké prvky s jemnějšími detaily dosažitelnými metodami práškové technologie pro složité detaily.
• Automatizační a řídicí systémy: Pokroky v automatizaci a řídicích systémech zvyšují stabilitu a opakovatelnost procesu WAAM. Patří sem vývoj v oblasti monitorování v reálném čase, integrace senzorů a automatického nastavování procesů, což vede ke konzistentnější a spolehlivější výrobě dílů.
• Vývoj materiálu: Pokračuje výzkum nových kovových slitin a kompozitních materiálů speciálně přizpůsobených pro WAAM. To otevírá dveře k vytváření komponentů s ještě lepšími mechanickými vlastnostmi, vysokoteplotním výkonem a přizpůsobenými funkcemi.

Tyto pokroky otevírají cestu k tomu, aby se systém WAAM stal ještě univerzálnějším a výkonnějším nástrojem v různých odvětvích.

Aplikace aditivní výroby drátěným obloukem

Díky svým jedinečným možnostem je WAAM&#8217 atraktivní volbou pro širokou škálu aplikací, včetně:

• Letectví: Výroba velkých, lehkých konstrukčních dílů pro letadla a kosmické lodě s využitím schopnosti společnosti WAAM&#8217 zpracovávat vysokopevnostní hliníkové a titanové slitiny.
• Automobilový průmysl: Vytváření složitých součástí motoru, držáků na zakázku a lehkých dílů podvozku s využitím rychlosti a efektivity materiálu WAAM&#8217.
• Ropa a plyn: Tisk složitých potrubních systémů, tlakových nádob a dílů pro opravy v náročných podmínkách, kde se uplatní všestrannost materiálu WAAM a schopnost zpracovávat silnostěnné konstrukce.
• Konstrukce: Stavba architektonických prvků na míru, mostů a velkoplošných komponent na místě, kde je výhodou schopnost společnosti WAAM pracovat v otevřeném prostředí.
• Stavba lodí: Výroba robustních lodních komponentů, lodních šroubů a opravárenských dílů s využitím vhodnosti systému WAAM&#8217 pro práci s velkými ocelovými konstrukcemi.
• Lékařské přístroje: Vytváření vlastních protéz, implantátů a chirurgických nástrojů z biokompatibilních materiálů, jako je titan, s využitím schopnosti společnosti WAAM&#8217 vyrábět složité geometrie.

To je jen několik příkladů a očekává se, že s dalším vývojem technologie WAAM se její rozsah použití ještě rozšíří.

Výhody a omezení Aditivní výroba drátěným obloukem

výhody:

• Vysoká rychlost ukládání: Umožňuje zrychlení výroby, zejména u velkých dílů.
• Účinnost materiálu: Minimalizace odpadu ve srovnání se subtraktivní výrobou.
• Velkoplošný tisk: Ideální pro vytváření velkých a složitých kovových konstrukcí.
• Všestrannost materiálu: Kompatibilní se širokou škálou kovových slitin.
• Efektivita nákladů: V porovnání s tradičními výrobními metodami může být pro některé aplikace cenově výhodnější.

Omezení:

• Povrchová úprava: Může vyžadovat dodatečné zpracování pro hladký povrch.
• Zbytkové napětí: Vyžaduje tepelné zpracování nebo konstrukční úpravy.
• Přesnost: Nemusí být dosaženo jemných detailů jako u některých práškových technik.
• Omezené prostředí pro stavbu: Systémy pod širým nebem mohou být náchylné k vlivům prostředí, jako je vítr.

Při rozhodování, zda je WAAM nejvhodnější technologií pro konkrétní aplikaci, je nutné pečlivě zvážit její výhody i omezení.

Srovnání WAAM s jinými technikami aditivní výroby kovů

WAAM není jediným hráčem ve hře o 3D tisk z kovu. Zde’je přehled toho, jak si stojí v porovnání s některými dalšími významnými metodami:

Vlastnosti	WAAM	Selektivní laserové tavení (SLM)	Tavení elektronovým paprskem (EBM)	Binder Jetting (BJ)
Rychlost ukládání	Vysoký	Nízký	Nízký	Střední až vysoká
Materiálová všestrannost	Široká škála kovových slitin	Omezeno na kompatibilní slitiny	Omezeno na kompatibilní slitiny	Široká škála kovů a keramiky
Povrchová úprava	Hrubší, může vyžadovat následné zpracování	Hladký	Hladký	Hrubý, vyžaduje následné zpracování
Obálka budovy	Možnost velkého, otevřeného prostředí	Omezeno velikostí komory	Omezeno velikostí komory	Omezeno velikostí komory
Materiálový odpad	Nízký	Mírný	Mírný	Nízký
Náklady na jednotku	Může být nákladově efektivní pro velké díly	Vysoký	Vysoký	Mírná až nízká
Aplikace	Velké komponenty, různá odvětví	Letecký průmysl, zdravotnictví, vysoce hodnotné díly	Letecký průmysl, zdravotnictví, vysoce hodnotné díly	Prototypy, nástroje, složité tvary

Výběr správné techniky aditivní výroby kovů

Optimální technika aditivní výroby kovů závisí na různých faktorech, včetně:

• Velikost a složitost dílu: WAAM vyniká u velkých dílů, zatímco SLM a EBM by mohly být vhodnější pro složité, menší součásti. BJ nabízí rovnováhu pro středně velké díly se složitou geometrií.
• Požadavky na materiál: Zvažte potřebné vlastnosti materiálu a kompatibilitu s jednotlivými technikami. WAAM se může pochlubit širokou materiálovou univerzálností, zatímco SLM a EBM mají svá omezení. BJ si poradí se širokou škálou kovů a dokonce i s keramikou.
• Potřeby povrchové úpravy: Pokud je hladký povrch kritický, může být vhodnější SLM nebo EBM, zatímco WAAM může vyžadovat následné zpracování. BJ obvykle vyžaduje následné zpracování pro hladký povrch.
• Úvahy o ceně: WAAM může být nákladově efektivní pro velké díly, zatímco SLM a EBM mají obecně vyšší náklady. BJ nabízí možnost střední třídy.

Pečlivým vyhodnocením těchto faktorů a silných a slabých stránek jednotlivých technik můžete učinit informované rozhodnutí o nejvhodnější metodě pro vaši konkrétní aplikaci.

FAQ

Otázka: Jaké jsou bezpečnostní aspekty systému WAAM?

WAAM zahrnuje vysoké teploty, roztavený kov a elektrický proud. Správné bezpečnostní protokoly jsou nezbytné, včetně používání vhodných osobních ochranných prostředků (OOP), jako jsou svářečské helmy, rukavice a nehořlavé oblečení. Klíčové je provozovat systém v dobře větraném prostředí a dodržovat doporučené bezpečnostní pokyny.

Otázka: Jak pevné jsou díly vyrobené pomocí materiálu WAAM?

Pevnost dílů vytištěných metodou WAAM závisí na zvolené kovové slitině, správných procesních parametrech a případném tepelném zpracování. WAAM může vyrábět součásti s vynikajícími mechanickými vlastnostmi srovnatelnými s tradičně vyráběnými protějšky.

Otázka: Umí WAAM tisknout barevně?

V současné době společnost WAAM nenabízí možnost přímého vícebarevného tisku. K přidání barvy do hotových dílů však lze použít techniky následného zpracování, jako je lakování nebo eloxování.

Otázka: Jaká je budoucnost WAAM?

Jak již bylo řečeno, budoucnost WAAM je jasná. Pokroky v automatizaci, řídicích systémech a vývoji materiálů jsou připraveny dále rozvíjet schopnosti WAAM. Hybridní systémy WAAM kombinující WAAM s jinými metodami aditivní výroby slibují ještě větší všestrannost. Očekává se, že průzkum nových aplikací v různých průmyslových odvětvích se bude zrychlovat s tím, jak bude technologie WAAM dozrávat.

Závěrem, Aditivní výroba drátěným obloukem (WAAM) představuje revoluční přístup k 3D tisku kovů. Díky vysoké rychlosti nanášení, efektivitě materiálu a schopnosti zpracovávat rozsáhlé struktury představuje zajímavou možnost pro různá průmyslová odvětví. Ačkoli je třeba vzít v úvahu faktory, jako je povrchová úprava a zbytkové napětí, výhody a pokračující vývoj WAAM&#8217 jej staví do pozice mocného nástroje pro utváření budoucnosti výroby kovů.

znát více procesů 3D tisku