введение в аддитивное производство с использованием проволочной дуги

Представьте себе, что вы создаете большие прочные металлические детали слой за слоем, но не с помощью субтрактивных технологий производства, таких как механическая обработка, а путем тщательного добавления материала. Эта революционная технология Проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM), способная изменить способы создания важнейших компонентов в различных отраслях промышленности.

Принцип работы проволочно-дугового аддитивного производства

WAAM, также известная как Directed Energy Deposition-Arc (DED-Arc), относится к технологии 3D-печати Direct Energy Deposition (DED). Она использует контролируемую электрическую дугу в качестве источника тепла для расплавления расходуемой металлической проволоки. Затем этот расплавленный металл тщательно наносится слой за слоем, чтобы создать желаемую 3D-структуру.

Считайте, что это высокотехнологичный процесс сварки на стероидах. Вместо того чтобы просто соединять существующие детали, WAAM создает совершенно новые объекты с нуля. Роботизированная рука точно управляет подачей проволоки и сварочной горелкой, следуя запрограммированному цифровому чертежу. По мере застывания каждого слоя сверху накладывается новый, постепенно воплощая цифровой проект в жизнь.

Характеристики процесса Проволочно-дуговое аддитивное производство

WAAM обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами производства:

• Высокая скорость осаждения: По сравнению с технологиями 3D-печати металлами на основе порошка, WAAM отличается значительно более высокой скоростью осаждения. Это позволяет сократить время производства, особенно при изготовлении крупногабаритных деталей.
• Эффективность материала: В качестве исходного сырья в WAAM используется проволока, что позволяет минимизировать отходы материала по сравнению с субтрактивными производственными процессами, в которых из цельного блока удаляется лишний материал.
• Широкоформатная печать: Система WAAM отлично подходит для создания больших и сложных металлических конструкций. В отличие от некоторых порошковых методов, ограниченных размерами рабочей камеры, системы WAAM могут работать в открытых средах, что позволяет изготавливать массивные объекты.
• Универсальность материала: WAAM совместим с широким спектром металлических сплавов, включая стали, алюминий, никелевые сплавы и титан. Такой широкий спектр материалов позволяет решать различные задачи, требующие особых механических свойств.

Однако у WAAM есть и ограничения, которые необходимо учитывать:

• Отделка поверхности: Процесс осаждения расплавленного металла в WAAM может привести к более шероховатой поверхности по сравнению с некоторыми порошковыми методами. Для получения более гладкой поверхности в зависимости от области применения могут потребоваться такие методы последующей обработки, как шлифование или механическая обработка.
• Остаточное напряжение: Быстрые циклы нагрева и охлаждения, присущие WAAM, могут вызвать остаточное напряжение в печатной детали. Для обеспечения стабильности размеров и предотвращения возможного растрескивания эту проблему необходимо решать с помощью соответствующей термообработки или конструктивных решений.
• Точность: Хотя WAAM обеспечивает впечатляющее разрешение, он не может сравниться с тонкой детализацией, достижимой при использовании некоторых порошковых технологий. Выбор зависит от допусков на размеры и требований к сложности конкретной детали.

Металлические порошки для Проволочно-дуговое аддитивное производство

Хотя в WAAM используется непрерывное проволочное сырье, очень важно понимать свойства соответствующих металлических порошков, используемых для создания этих проволок. Вот описание некоторых металлических порошков, обычно используемых в WAAM:

Материал	Состав	Свойства	Приложения
Низкоуглеродистая сталь (SAE 1005, AISI 1008)	Fe (железо) с минимальным содержанием углерода	Высокая пластичность, хорошая свариваемость, отличная обрабатываемость	Конструктивные элементы общего назначения, кронштейны, корпуса
Высокопрочная низколегированная сталь (HSLA) (ASTM A514)	Fe с повышенным содержанием углерода и микролегирующих элементов, таких как марганец, ванадий и ниобий	Улучшенное соотношение прочности и веса, хорошая прочность	Строительное оборудование, транспортные компоненты, сосуды под давлением
Нержавеющая сталь (304L, 316L)	Fe с хромом, никелем и молибденом для устойчивости к коррозии	Отличная коррозионная стойкость, хорошая формуемость	Оборудование для пищевой промышленности, медицинские приборы, емкости для химической обработки
Алюминий (AA 5356, AA 6061)	Al (алюминий) с добавлением магния для повышения прочности	Высокое соотношение прочности и веса, хорошая коррозионная стойкость	Аэрокосмические компоненты, автомобильные детали, морское применение
Никелевые сплавы (Inconel 625, Inconel 718)	Ni (никель) с хромом, молибденом и другими элементами для высокотемпературных характеристик	Исключительная прочность и устойчивость к окислению при повышенных температурах	Компоненты газовых турбин, теплообменники, сосуды под давлением для жестких условий эксплуатации
Титан (Ti-6Al-4V)	Ti (титан) с алюминием и ванадием для повышения прочности	Высокое соотношение прочности и веса, отличная биосовместимость	Аэрокосмические компоненты, биомедицинские имплантаты, спортивные товары

Эта таблица дает представление о разнообразных металлических порошках, используемых в качестве сырья для проволоки WAAM. Выбор конкретного материала зависит от желаемых механических свойств, коррозионной стойкости и требований к применению.

Дополнительные соображения:

• Диаметр проволоки: Диаметр проволочного сырья играет важную роль в WAAM. Более толстые проволоки обеспечивают более высокую скорость осаждения, но могут привести к более грубой обработке поверхности. И наоборот, более тонкие проволоки обеспечивают более тонкую детализацию, но приводят к замедлению времени построения. Оптимальный диаметр зависит от желаемого баланса между скоростью построения, разрешением и потребностями в постобработке.
• Качество проволочного сырья: Постоянный диаметр проволоки, минимальные дефекты поверхности и правильный химический состав - все это необходимо для успешной печати WAAM. Высококачественная проволока обеспечивает плавное осаждение, минимизирует разбрызгивание (капли расплавленного металла, выбрасываемые во время сварки) и обеспечивает предсказуемые механические свойства готовой детали.

Тенденции развития Проволочно-дуговое аддитивное производство

WAAM - это быстро развивающаяся технология. Вот некоторые интересные тенденции, определяющие ее будущее:

• Гибридные системы WAAM: Все большее распространение получает интеграция WAAM с другими технологиями аддитивного производства, такими как сплавление в порошковом слое. Это позволяет сочетать преимущества высокой скорости осаждения WAAM для крупных деталей с более тонкой детализацией, достижимой с помощью порошковых методов для сложных деталей.
• Системы автоматизации и управления: Достижения в области автоматизации и систем управления повышают стабильность и повторяемость процессов WAAM. Сюда входят разработки в области мониторинга в реальном времени, интеграции датчиков и автоматической корректировки процессов, что приводит к более стабильному и надежному производству деталей.
• Разработка материалов: Продолжается поиск новых металлических сплавов и композитных материалов, специально предназначенных для WAAM. Это открывает возможности для создания компонентов с еще более высокими механическими свойствами, высокотемпературными характеристиками и индивидуальными функциональными возможностями.

Эти достижения открывают путь к тому, чтобы WAAM стал еще более универсальным и мощным инструментом в различных отраслях.

Области применения проволочно-дугового аддитивного производства

Уникальные возможности WAAM делают его привлекательным вариантом для широкого спектра приложений, включая:

• Аэрокосмическая промышленность: Изготовление крупных, легких структурных компонентов для самолетов и космических аппаратов с использованием возможностей WAAM по обработке высокопрочных алюминиевых и титановых сплавов.
• Автомобили: Создание сложных компонентов двигателя, нестандартных кронштейнов и легких деталей шасси, используя скорость и эффективность использования материалов WAAM.
• Нефть и газ: Печать сложных трубопроводных систем, сосудов под давлением и ремонтных деталей для жестких условий эксплуатации, где на первый план выходит универсальность материала WAAM и способность обрабатывать толстостенные конструкции.
• Строительство: Создание индивидуальных архитектурных элементов, мостов и крупногабаритных деталей на месте, где способность WAAM работать в открытых средах является преимуществом.
• Судостроение: Изготовление прочных компонентов кораблей, гребных винтов и ремонтных деталей с использованием возможностей WAAM для работы с крупными стальными конструкциями.
• Медицинские приборы: Создание индивидуальных протезов, имплантатов и хирургических инструментов из биосовместимых материалов, таких как титан, с использованием возможностей WAAM по изготовлению сложных геометрических форм.

Это лишь несколько примеров, и по мере развития технологии WAAM сфера ее применения будет расширяться.

Преимущества и ограничения Проволочно-дуговое аддитивное производство

Преимущества:

• Высокая скорость осаждения: Позволяет ускорить производство, особенно при изготовлении крупногабаритных деталей.
• Эффективность материала: Минимизация отходов по сравнению с субтрактивным производством.
• Широкоформатная печать: Идеально подходит для создания больших, сложных металлических конструкций.
• Универсальность материала: Совместим с широким спектром металлических сплавов.
• Эффективность затрат: Для некоторых областей применения может быть конкурентоспособным по стоимости вариантом по сравнению с традиционными методами производства.

Ограничения:

• Отделка поверхности: Может потребоваться постобработка для придания гладкости.
• Остаточное напряжение: Требует термической обработки или конструктивных решений для управления.
• Точность: Не позволяет добиться тонкой детализации некоторых порошковых техник.
• Ограниченная среда сборки: Открытые системы могут быть подвержены воздействию внешних факторов, таких как ветер.

Тщательное рассмотрение как преимуществ, так и ограничений имеет решающее значение при определении того, является ли WAAM наиболее подходящей технологией для конкретного применения.

Сравнение WAAM с другими технологиями аддитивного производства металлов

WAAM - не единственный игрок в игре по 3D-печати металлов. Здесь мы рассмотрим, как она конкурирует с другими известными методами:

Характеристика	WAAM	Селективное лазерное плавление (SLM)	Электронно-лучевое плавление (ЭЛП)	Струйная обработка вяжущего (BJ)
Скорость осаждения	Высокая	Низкий	Низкий	От среднего до высокого
Универсальность материалов	Широкий спектр металлических сплавов	Ограничено совместимыми сплавами	Ограничено совместимыми сплавами	Широкий спектр металлов и керамики
Отделка поверхности	Более грубый, может потребовать постобработки	Гладкий	Гладкий	Грубовато, требует постобработки
Построить оболочку	Большая, открытая территория	Ограничено размером камеры	Ограничено размером камеры	Ограничено размером камеры
Материальные отходы	Низкий	Умеренный	Умеренный	Низкий
Стоимость за единицу	Может быть экономически эффективным для крупных деталей	Высокая	Высокая	От умеренного до низкого
Приложения	Крупные компоненты, различные отрасли промышленности	Аэрокосмическая промышленность, медицина, дорогостоящие детали	Аэрокосмическая промышленность, медицина, дорогостоящие детали	Прототипы, оснастка, сложные формы

Выбор правильной технологии аддитивного производства металлов

Выбор оптимальной технологии аддитивного производства металлов зависит от различных факторов, включая:

• Размер и сложность детали: WAAM отлично справляется с крупногабаритными деталями, в то время как SLM и EBM могут лучше подойти для сложных, небольших компонентов. BJ предлагает баланс для деталей среднего размера со сложной геометрией.
• Требования к материалам: Учитывайте необходимые свойства материалов и их совместимость с каждой технологией. WAAM может похвастаться широкой универсальностью материалов, в то время как SLM и EBM имеют свои ограничения. BJ может работать с широким спектром металлов и даже керамикой.
• Необходима обработка поверхности: Если гладкая поверхность очень важна, предпочтительнее использовать SLM или EBM, в то время как WAAM может потребовать постобработки. BJ обычно требует постобработки для получения гладкой поверхности.
• Соображения, связанные с затратами: WAAM может быть экономически эффективным для крупных деталей, в то время как SLM и EBM обычно имеют более высокую стоимость. BJ предлагает средний вариант.

Тщательно оценив эти факторы, а также сильные и слабые стороны каждого метода, вы сможете принять обоснованное решение о выборе наиболее подходящего метода для конкретной задачи.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В: Каковы соображения безопасности при использовании WAAM?

WAAM - это высокие температуры, расплавленный металл и электрические токи. Правильные протоколы безопасности крайне важны, включая использование соответствующих средств индивидуальной защиты (СИЗ), таких как сварочные шлемы, перчатки и огнестойкая одежда. Работа с системой в хорошо проветриваемом помещении и соблюдение рекомендованных правил безопасности имеют решающее значение.

В: Насколько прочны детали, изготовленные с использованием WAAM?

Прочность деталей, напечатанных по технологии WAAM, зависит от выбранного металлического сплава, правильных параметров процесса и термообработки (если таковая требуется). WAAM позволяет получать детали с превосходными механическими свойствами, сравнимыми с традиционными аналогами.

В: Может ли WAAM печатать в цвете?

В настоящее время WAAM не предлагает возможности прямой многоцветной печати. Однако для придания цвета готовым деталям можно использовать такие методы постобработки, как покраска или анодирование.

В: Каково будущее WAAM?

Как уже говорилось ранее, будущее WAAM радужно. Достижения в области автоматизации, систем управления и разработки материалов способны еще больше расширить возможности WAAM. Гибридные системы WAAM, сочетающие WAAM с другими методами аддитивного производства, обещают стать еще более универсальными. По мере развития технологии WAAM ожидается ускорение поиска новых областей применения в различных отраслях промышленности.

В заключение, Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) представляет собой революционный подход к 3D-печати металлов. Высокая скорость осаждения, эффективность использования материалов и возможность работы с крупногабаритными конструкциями делают его привлекательным вариантом для различных отраслей промышленности. Хотя такие факторы, как качество обработки поверхности и остаточное напряжение, требуют внимания, преимущества WAAM и его постоянное развитие делают его мощным инструментом для формирования будущего производства металлов.

узнать больше о процессах 3D-печати