WAAM！什么是電弧增材制造？

魔猴君  知識堂   198天前

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

本文魔猴網將為大家介紹WAAM技術、它的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)以及最新的應用。

荷蘭RamLab的WAAM 3D打?。▉碓矗篟amLab）

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，類似于焊接。電弧熔化金屬絲，然后通過機械臂將金屬絲一層層地沉積到表面上，例如多軸轉盤。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。

該過程將材料逐漸構建成完整的3D物體或現(xiàn)有物體的修復。無需移除支撐結構，成品部件可根據(jù)需要進行CNC加工以達到嚴格的公差或表面拋光。通常，打印部件會接受熱處理以消除任何殘余應力。

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

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

您可能會聽到WAAM有其他名稱，因為該領域的公司都在努力推廣其技術，使其優(yōu)于競爭對手。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打印類別下的另一項獨特技術。

WAAM3D采用電弧增材制造技術制造的鈦罐（來源：WAAM3D）

WAAM被認為是DED技術中最具成本效益的選擇，因為它可以使用現(xiàn)有的電弧焊接機器人和電源，而且它使用現(xiàn)成的焊接材料，因此進入門檻相對較低。WAAM的電弧技術（包括等離子?。┍绕渌愋偷腄ED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處理非活性金屬。然而，對于鈦或鋁等活性金屬，仍然需要通常由氬氣或氮氣制成的惰性氣體環(huán)境，以避免與大氣氣體發(fā)生化學反應。

WAAM的主要賣點是快速且經濟地打印大型金屬物體，但該技術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（可快速構建零件）

WAAM大幅減少了原材料的使用和浪費

WAAM使用現(xiàn)有的電弧焊技術

WAAM可以制造非常大的部件

WAAM可實現(xiàn)設計自由和復雜幾何形狀

WAAM技術基于電弧焊，因此材料和工藝行為是已知的

如今，制造WAAM 3D打印機的公司越來越多，提供按需WAAM金屬3D打印服務的公司數(shù)量也越來越多。讓我們仔細看看目前市場上有哪些應用和WAAM 3D打印機，它們讓這項技術成為一種可行的解決方案。

為何使用WAAM？

用作船用柴油發(fā)動機渦輪增壓器的不銹鋼葉輪由Gefertec采用WAAM技術生產（來源：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。從國防和海洋到建筑和航空航天，WAAM都得到了廣泛應用

快速制造大型金屬零件

再制造重工業(yè)零件

創(chuàng)造獨一無二的金屬特征

修理模具

現(xiàn)場修復或重新利用金屬部件

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

打印機制造商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)鍛造的超大型結構，我們看到了越來越多的需求，而且我認為它只會變得越來越大?！?/span>

例如，如果您從事石油和天然氣行業(yè)，需要快速獲得獨特的金屬替換部件，WAAM可以以每小時約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，他們制造了一個重達940公斤的管道短管組件，用于石油和天然氣行業(yè)。這是同類產品中第一個采用WAAM金屬3D打印并經過獨立壓力測試的產品。這個41毫米厚的高壓管道短管長850毫米，寬450毫米，是根據(jù)嚴格且新發(fā)布的美國石油協(xié)會標準20S打印的，符合所有測試驗收標準。該組件還通過了行業(yè)標準的高壓測試。

這款重達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（來源：AML3D）

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

目前WAAM中最常用的金屬包括：

鈦（TI-6Ai-4V、5級、23級）

鋼材（馬氏體時效鋼250級、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WAAM的興趣日益濃厚，材料的選擇也越來越多。例如，材料供應商Alloy Wire International提供一系列特種航空合金，包括Monel、Nimonic、Nitronic、Waspaloy和Phynox，其供應范圍擴大到60多種不同的材料。

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

WAAM 3D打印的建筑和設計應用可實現(xiàn)獨特的設計，且成本遠低于機械加工（來源：MX3D）

與其他3D打印技術一樣，借助WAAM，工程師可以采用多組件系統(tǒng)并將其重新設計為一個整體進行打印，從而無需組裝或焊接接縫。

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

英國飛機研究協(xié)會有限公司通過WAAM3D使用WAAM技術打印鋁制鼻錐，減少了73%的材料使用量，縮短了生產時間并降低了總體成本（來源：飛機研究協(xié)會有限公司）

WAAM材料特性和行業(yè)標準

電弧增材制造圖像：WAAM材料特性和行業(yè)標準

2021年7月，全球重型建筑設備制造商Huisman在獨立認證機構英國勞氏船級社的監(jiān)督下成功測試了四個新的3D打印起重機吊鉤（來源：Huisman）

WAAM零件與鑄造和鍛造零件具有同等水平，并且適用于多個具有認證和標準的受監(jiān)管行業(yè)，包括美國石油學會、英國勞氏船級社、焊接協(xié)會、美國機械工程師學會、法國船級社海洋與近海部、DNV GL等。

2023年，當Relativity Space成功發(fā)射其Terran 1火箭時，人們對該技術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有的Stargate WAAM 3D打印機制造的，該火箭成功進入太空，但最終未能進入軌道。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開發(fā)了Stargate WAAM 3D打印機來制造其火箭（來源：Relativity Space）

采用WAAM生產的部件尤其以高密度和強機械性能而著稱。由于線材原料已經是一種致密的輸入材料，因此在制造過程中幾乎不會產生孔隙。

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率的差異，薄壁結構的熱導率明顯較低。這使得熱管理成為實現(xiàn)所需零件幾何形狀和材料特性的關鍵因素?！?/span>

精確的熱管理正是WAAM機器軟件的作用所在。

WAAM 3D打印機制造商RamLab及其合作伙伴DEEP正在開發(fā)歐洲最大的多臂WAAM制造能力之一，以提供適合人類居住的壓力容器（來源：DEEP）

“可以說，機器人焊接和WAAM的基礎元素非常相似，”Martina說?！八鼈兌紡倪\動系統(tǒng)（例如機械臂）和焊接電源開始。不同之處在于能夠使用軟件來控制制造具有所需完整性水平的零件所需的一系列關鍵參數(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、機器人的移動，以及如何根據(jù)最終部件的材料和形狀組合每個參數(shù)，是當今WAAM機器的成功故事。

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

WAAM的零件可以在任何CAD或CAM軟件中設計，然后導入到每臺WAAM打印機的專有軟件中。

例如，WAAM3D附帶了一系列流程軟件：WAAMPlanner可執(zhí)行切片、構建策略和刀具路徑規(guī)劃等任務；WAAMCtrl可控制打印機并監(jiān)控構建過程；WAAMSim是用于碰撞檢測和刀具路徑驗證的虛擬環(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跟蹤。

WAAM3D的WAAMPlanner軟件（來源：WAAM3D）

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

WAAM挑戰(zhàn)

該船用螺旋槳是WAAM技術工業(yè)應用的首批示例之一（來源：RamLab）

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

與傳統(tǒng)方法相比，WAAM對于大批量零件來說并不是經濟的選擇，因為一旦創(chuàng)建了鍛造或鑄造模具，使用鑄造方法可以更快地生產出數(shù)百或數(shù)千個零件。

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

目前，WAAM專注于在金屬鍛造和鑄造的時間和成本阻礙供應鏈的應用領域中不斷推廣。隨著將生產移近需求點在經濟和環(huán)境方面變得越來越重要，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，并在每一個新應用中證明了自己的價值。

“WAAM的普及只是時間問題，”鹿特丹WAAM打印機制造商和研究機構RamLab的聯(lián)合創(chuàng)始人Wei Ya說道?！芭c任何其他新概念或新方法一樣，一方面，行業(yè)需要時間來建立共同的標準、法規(guī)和規(guī)則；另一方面，人們也需要時間來更好地了解這項技術，更加熟悉它，并最終將其投入使用?！?/span>

編譯整理：ALL3DP