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:

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:

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