WAAM！什么是電弧增材制造？

魔猴君  知識(shí)堂   137天前

電弧增材制造這種3D打印技術(shù)實(shí)際上已在重工業(yè)和航空航天領(lǐng)域使用多年。在20世紀(jì)70年代，它被稱(chēng)為形狀焊接，但自那時(shí)以來(lái)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。如今，它被視為制造業(yè)、重工業(yè)、國(guó)防和航空航天業(yè)的一種生產(chǎn)大型金屬部件的方法，其時(shí)間和成本僅為傳統(tǒng)鍛造、鑄造或機(jī)械加工的一小部分。它也可能成為解決行業(yè)供應(yīng)鏈堵塞、市場(chǎng)創(chuàng)新壓力以及更快維修和備件交付的解決方案。

本文魔猴網(wǎng)將為大家介紹WAAM技術(shù)、它的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)以及最新的應(yīng)用。

荷蘭RamLab的WAAM 3D打印（來(lái)源：RamLab）

什么是WAAM？

電弧增材制造使用金屬絲作為材料，電弧作為能源，類(lèi)似于焊接。電弧熔化金屬絲，然后通過(guò)機(jī)械臂將金屬絲一層層地沉積到表面上，例如多軸轉(zhuǎn)盤(pán)。與焊接一樣，惰性氣體可防止氧化并改善或控制金屬的性能。

該過(guò)程將材料逐漸構(gòu)建成完整的3D物體或現(xiàn)有物體的修復(fù)。無(wú)需移除支撐結(jié)構(gòu)，成品部件可根據(jù)需要進(jìn)行CNC加工以達(dá)到嚴(yán)格的公差或表面拋光。通常，打印部件會(huì)接受熱處理以消除任何殘余應(yīng)力。

一旦采用WAAM 3D打印，諸如鈦支架之類(lèi)的部件就會(huì)被加工成精密部件，與機(jī)械加工相比可節(jié)省近70%的原材料（來(lái)源：Norsk Titanium）

WAAM建立在成熟的焊接方法和材料結(jié)果之上。盡管WAAM使用復(fù)雜的軟件來(lái)控制過(guò)程中的一系列變量，但人們對(duì)通用方法的熟悉程度吸引了更多公司采用該技術(shù)。

您可能會(huì)聽(tīng)到WAAM有其他名稱(chēng)，因?yàn)樵擃I(lǐng)域的公司都在努力推廣其技術(shù)，使其優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。然而，使用激光或帶金屬線的電子束而不是電弧的方法是定向能量沉積(DED)3D打印類(lèi)別下的另一項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)。

WAAM3D采用電弧增材制造技術(shù)制造的鈦罐（來(lái)源：WAAM3D）

WAAM被認(rèn)為是DED技術(shù)中最具成本效益的選擇，因?yàn)樗梢允褂矛F(xiàn)有的電弧焊接機(jī)器人和電源，而且它使用現(xiàn)成的焊接材料，因此進(jìn)入門(mén)檻相對(duì)較低。WAAM的電弧技術(shù)（包括等離子?。┍绕渌?lèi)型的DED中使用的激光和電子束更便宜、更安全，并且不需要真空室來(lái)處理非活性金屬。然而，對(duì)于鈦或鋁等活性金屬，仍然需要通常由氬氣或氮?dú)庵瞥傻亩栊詺怏w環(huán)境，以避免與大氣氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

WAAM的主要賣(mài)點(diǎn)是快速且經(jīng)濟(jì)地打印大型金屬物體，但該技術(shù)的吸引力還不止于此。

WAAM可與任何可焊金屬配合使用

WAAM具有較高的沉積量和沉積速率（可快速構(gòu)建零件）

WAAM大幅減少了原材料的使用和浪費(fèi)

WAAM使用現(xiàn)有的電弧焊技術(shù)

WAAM可以制造非常大的部件

WAAM可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由和復(fù)雜幾何形狀

WAAM技術(shù)基于電弧焊，因此材料和工藝行為是已知的

如今，制造WAAM 3D打印機(jī)的公司越來(lái)越多，提供按需WAAM金屬3D打印服務(wù)的公司數(shù)量也越來(lái)越多。讓我們仔細(xì)看看目前市場(chǎng)上有哪些應(yīng)用和WAAM 3D打印機(jī)，它們讓這項(xiàng)技術(shù)成為一種可行的解決方案。

為何使用WAAM？

用作船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的不銹鋼葉輪由Gefertec采用WAAM技術(shù)生產(chǎn)（來(lái)源：Gefertec）

很多行業(yè)都可以從大型金屬部件和更快的更換中受益。從國(guó)防和海洋到建筑和航空航天，WAAM都得到了廣泛應(yīng)用

快速制造大型金屬零件

再制造重工業(yè)零件

創(chuàng)造獨(dú)一無(wú)二的金屬特征

修理模具

現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)或重新利用金屬部件

使用您自己的WAAM 3D打印機(jī)或使用本地打印服務(wù)，可以消除供應(yīng)鏈問(wèn)題并更快地將金屬零件投入使用。

打印機(jī)制造商WAAM3D的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Filomeno Martina表示：“由于WAAM適合制造通常僅在世界少數(shù)地區(qū)鍛造的超大型結(jié)構(gòu)，我們看到了越來(lái)越多的需求，而且我認(rèn)為它只會(huì)變得越來(lái)越大?！?/span>

例如，如果您從事石油和天然氣行業(yè)，需要快速獲得獨(dú)特的金屬替換部件，WAAM可以以每小時(shí)約600 cm3的速度制造出近凈形狀的部件。然后可以用CNC加工出近凈形狀，以達(dá)到精確的公差。

澳大利亞WAAM初創(chuàng)公司AML3D正是這樣做的，他們制造了一個(gè)重達(dá)940公斤的管道短管組件，用于石油和天然氣行業(yè)。這是同類(lèi)產(chǎn)品中第一個(gè)采用WAAM金屬3D打印并經(jīng)過(guò)獨(dú)立壓力測(cè)試的產(chǎn)品。這個(gè)41毫米厚的高壓管道短管長(zhǎng)850毫米，寬450毫米，是根據(jù)嚴(yán)格且新發(fā)布的美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)20S打印的，符合所有測(cè)試驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。該組件還通過(guò)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高壓測(cè)試。

這款重達(dá)940公斤的管道短管組件用于石油和天然氣行業(yè)，由AML3D采用WAAM 3D打印而成（來(lái)源：AML3D）

事實(shí)證明，WAAM可將零件生產(chǎn)時(shí)間縮短數(shù)月，但材料節(jié)約和可持續(xù)性是該技術(shù)的其他重要屬性。WAAM僅使用必要的材料即可生產(chǎn)出接近最終尺寸的零件，與鍛造或CNC加工相比，浪費(fèi)很少。這在使用鈦等昂貴材料時(shí)尤其重要。

目前WAAM中最常用的金屬包括：

鈦（TI-6Ai-4V、5級(jí)、23級(jí)）

鋼材（馬氏體時(shí)效鋼250級(jí)、雙相鋼2205、2507、馬氏體鋼410、奧氏體鋼420）

不銹鋼(316L)

鋁(2319,4043,5183,5356,5087)

鎳合金（Inconel 625和718、FeNi36(INVAR)、NiAiCu(NAB)

隨著人們對(duì)WAAM的興趣日益濃厚，材料的選擇也越來(lái)越多。例如，材料供應(yīng)商Alloy Wire International提供一系列特種航空合金，包括Monel、Nimonic、Nitronic、Waspaloy和Phynox，其供應(yīng)范圍擴(kuò)大到60多種不同的材料。

作為一種3D打印技術(shù)，WAAM可以生產(chǎn)鍛造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特形狀和填充物。由于它不需要模具、沖?；蚬ぞ?，因此每個(gè)打印件都可以定制。這大大降低了制造獨(dú)特替換部件、小批量部件甚至藝術(shù)部件（如下面的建筑梁支架）的成本。

WAAM 3D打印的建筑和設(shè)計(jì)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，且成本遠(yuǎn)低于機(jī)械加工（來(lái)源：MX3D）

與其他3D打印技術(shù)一樣，借助WAAM，工程師可以采用多組件系統(tǒng)并將其重新設(shè)計(jì)為一個(gè)整體進(jìn)行打印，從而無(wú)需組裝或焊接接縫。

WAAM速度快、成本低，但質(zhì)量如何？與鍛造件一樣好甚至更好的零件是WAAM打印機(jī)制造商所吹噓的。

英國(guó)飛機(jī)研究協(xié)會(huì)有限公司通過(guò)WAAM3D使用WAAM技術(shù)打印鋁制鼻錐，減少了73%的材料使用量，縮短了生產(chǎn)時(shí)間并降低了總體成本（來(lái)源：飛機(jī)研究協(xié)會(huì)有限公司）

WAAM材料特性和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

電弧增材制造圖像：WAAM材料特性和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

2021年7月，全球重型建筑設(shè)備制造商Huisman在獨(dú)立認(rèn)證機(jī)構(gòu)英國(guó)勞氏船級(jí)社的監(jiān)督下成功測(cè)試了四個(gè)新的3D打印起重機(jī)吊鉤（來(lái)源：Huisman）

WAAM零件與鑄造和鍛造零件具有同等水平，并且適用于多個(gè)具有認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)的受監(jiān)管行業(yè)，包括美國(guó)石油學(xué)會(huì)、英國(guó)勞氏船級(jí)社、焊接協(xié)會(huì)、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)、法國(guó)船級(jí)社海洋與近海部、DNV GL等。

2023年，當(dāng)Relativity Space成功發(fā)射其Terran 1火箭時(shí)，人們對(duì)該技術(shù)材料特性的所有疑慮都煙消云散了。該火箭由85%的3D打印部件制成，其中許多部件是用該公司專(zhuān)有的Stargate WAAM 3D打印機(jī)制造的，該火箭成功進(jìn)入太空，但最終未能進(jìn)入軌道。盡管如此，這一工程壯舉展示了WAAM制造的潛力及其承受最極端條件的能力。

Relativity Space開(kāi)發(fā)了Stargate WAAM 3D打印機(jī)來(lái)制造其火箭（來(lái)源：Relativity Space）

采用WAAM生產(chǎn)的部件尤其以高密度和強(qiáng)機(jī)械性能而著稱(chēng)。由于線材原料已經(jīng)是一種致密的輸入材料，因此在制造過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生孔隙。

根據(jù)Kai Treutler和Volker Wesling最近的研究，“理解電弧增材制造的關(guān)鍵在于深入了解所使用的焊接工藝。增材制造和接頭焊接之間的差異在于熱導(dǎo)率的差異，薄壁結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率明顯較低。這使得熱管理成為實(shí)現(xiàn)所需零件幾何形狀和材料特性的關(guān)鍵因素。”

精確的熱管理正是WAAM機(jī)器軟件的作用所在。

WAAM 3D打印機(jī)制造商RamLab及其合作伙伴DEEP正在開(kāi)發(fā)歐洲最大的多臂WAAM制造能力之一，以提供適合人類(lèi)居住的壓力容器（來(lái)源：DEEP）

“可以說(shuō)，機(jī)器人焊接和WAAM的基礎(chǔ)元素非常相似，”Martina說(shuō)。“它們都從運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（例如機(jī)械臂）和焊接電源開(kāi)始。不同之處在于能夠使用軟件來(lái)控制制造具有所需完整性水平的零件所需的一系列關(guān)鍵參數(shù)?！?/span>

精確控制熱量、焊珠尺寸、層高度和寬度、電流功率、沉積速度、機(jī)器人的移動(dòng)，以及如何根據(jù)最終部件的材料和形狀組合每個(gè)參數(shù)，是當(dāng)今WAAM機(jī)器的成功故事。

由于缺乏先進(jìn)的控制軟件，WAAM直到最近才實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這也是目前市場(chǎng)上產(chǎn)品之間的區(qū)別所在。

WAAM的零件可以在任何CAD或CAM軟件中設(shè)計(jì)，然后導(dǎo)入到每臺(tái)WAAM打印機(jī)的專(zhuān)有軟件中。

例如，WAAM3D附帶了一系列流程軟件：WAAMPlanner可執(zhí)行切片、構(gòu)建策略和刀具路徑規(guī)劃等任務(wù)；WAAMCtrl可控制打印機(jī)并監(jiān)控構(gòu)建過(guò)程；WAAMSim是用于碰撞檢測(cè)和刀具路徑驗(yàn)證的虛擬環(huán)境。WAAM3D的WAAMCtrl不僅可控制參數(shù)，還可為您提供制造流程的可審計(jì)跟蹤。

WAAM3D的WAAMPlanner軟件（來(lái)源：WAAM3D）

WAAM打印機(jī)制造商Gefertec提供用于刀具路徑生成的CAM-3DMP模塊化軟件，并與西門(mén)子數(shù)字工業(yè)公司共同開(kāi)發(fā)集成，以在西門(mén)子NX平臺(tái)上執(zhí)行完整的CAD/CAM流程鏈。

WAAM挑戰(zhàn)

該船用螺旋槳是WAAM技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的首批示例之一（來(lái)源：RamLab）

WAAM正在向傳統(tǒng)制造業(yè)邁進(jìn)，但并非完全沒(méi)有挑戰(zhàn)。目前正在努力提高速度和簡(jiǎn)化軟件，同時(shí)進(jìn)行研發(fā)，以將WAAM從一次性或小批量生產(chǎn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榕可a(chǎn)制造。

與傳統(tǒng)方法相比，WAAM對(duì)于大批量零件來(lái)說(shuō)并不是經(jīng)濟(jì)的選擇，因?yàn)橐坏﹦?chuàng)建了鍛造或鑄造模具，使用鑄造方法可以更快地生產(chǎn)出數(shù)百或數(shù)千個(gè)零件。

WAAM在精度上無(wú)法與粉末床熔合技術(shù)相媲美，但這并不意味著可以。打印后CNC加工用于嚴(yán)格的公差。

目前，WAAM專(zhuān)注于在金屬鍛造和鑄造的時(shí)間和成本阻礙供應(yīng)鏈的應(yīng)用領(lǐng)域中不斷推廣。隨著將生產(chǎn)移近需求點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面變得越來(lái)越重要，例如在石油和天然氣以及海洋工業(yè)中，WAAM提供了一種解決方案，并在每一個(gè)新應(yīng)用中證明了自己的價(jià)值。

“WAAM的普及只是時(shí)間問(wèn)題，”鹿特丹WAAM打印機(jī)制造商和研究機(jī)構(gòu)RamLab的聯(lián)合創(chuàng)始人Wei Ya說(shuō)道?！芭c任何其他新概念或新方法一樣，一方面，行業(yè)需要時(shí)間來(lái)建立共同的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和規(guī)則；另一方面，人們也需要時(shí)間來(lái)更好地了解這項(xiàng)技術(shù)，更加熟悉它，并最終將其投入使用?！?/span>

編譯整理：ALL3DP