Erforschung der additiven Fertigung mit Drahtbögen (WAAM): Innovationen in der Metallverarbeitung

Dieses Dokument bietet eine umfassende Erkundung der additiven Fertigung mit Drahtbogen (WAAM). Es beginnt mit einer Einführung, die die Vorteile und die weltweiten Trends aufzeigt. Im Abschnitt Geschichte und Entwicklung von WAAM werden die Ursprünge und wichtigen Meilensteine der Entwicklung erörtert. Der Abschnitt über die WAAM-Technologie befasst sich mit den grundlegenden Prozessen, einschließlich MAG, GTAW und Innovationen wie Cold Metal Transfer. Anschließend bietet Welding Methods eine vergleichende Analyse verschiedener Schweißtechniken, während Developments in WAAM Fortschritte wie das Tandemschweißen und die Integration des Fräsens hervorhebt.

Im Abschnitt Additive Metallfertigung werden der schichtweise Fertigungsansatz, die Designflexibilität und die Materialeffizienz untersucht. Der Abschnitt CAD/CAM-Integration erklärt die Rolle von CAD-Daten und der Abschnitt Materialanwendung umreißt die Arten der verwendeten Metalle und Speziallegierungen. Der Abschnitt Herausforderungen in WAAM befasst sich mit Prozessparametern und Techniken zur Qualitätsverbesserung. Der Abschnitt Werkstoffe und Anwendungen befasst sich mit den Möglichkeiten von Legierungen und branchenspezifischen Anwendungen, während der Abschnitt Forschungstrends und Zukunftsaussichten die laufende Forschung und das Potenzial für die industrielle Fertigung behandelt.

Additive Metallfertigung: Erforschung der additiven Fertigung mit Drahtbögen (WAAM)

Die additive Fertigung mit Drahtbogen (WAAM) ist eine fantasievolle Metall 3D-Druck Strategie, die eine elektrische Kurve als Stromquelle und Metalldraht als natürliches Ausgangsmaterial verwendet. Durch die schichtweise Abscheidung des flüssigen Drahtmaterials mittels additiver Verfahren ermöglicht WAAM die Herstellung komplizierter Metallteile von unten nach oben. Im Vergleich zu anderen additiven Metallherstellungsverfahren wie dem Laser-Pulverbettschmelzen bietet WAAM erhebliche Vorteile wie höhere Abscheideraten, niedrigere Ausrüstungs- und Materialkosten und die Anwendbarkeit für die Großserienfertigung. Allerdings führt der hohe Wärmeeintrag während des WAAM-Prozesses zu Herausforderungen bei der Erzielung der gewünschten Mikrostrukturen, mechanischen Eigenschaften und Qualitätssicherung. Probleme entstehen durch Eigenspannungen, heterogene Eigenschaften und Defekte.

Nichtsdestotrotz tragen kontinuierliche Verfeinerungen durch Parameteroptimierung, prozessbegleitende Überwachung und Nachbehandlungen dazu bei, solche Einschränkungen zu beseitigen. Eine Untersuchung der Google-Suchmuster gibt faszinierende Einblicke in das sich in letzter Zeit entwickelnde Interesse an der additiven Fertigung mit Drahtbogen. Eine Untersuchung der weltweiten Suchmuster ab 2015 zeigt, dass die Suche nach "WAAM" um 2018 herum an Fahrt aufnahm und seither stetig zunahm. Regional gesehen haben europäische Länder wie Großbritannien und Deutschland sowie Australien und Neuseeland das höchste Suchvolumen für WAAM-bezogene Themen verzeichnet.

Dies korrespondiert mit der bedeutenden WAAM-Forschung, die in diesen Regionen stattfindet. Interessanterweise verzeichnen die afrikanischen Länder auch einen Anstieg der Suchanfragen für die additive Fertigung mit Drahtbögen, was wahrscheinlich das Interesse an einer kostengünstigeren Fertigung widerspiegelt. Metall 3D-Druck Methoden. Die Suchanfragen aus asiatischen Ländern sind derzeit noch moderat, dürften aber in den kommenden Jahren mit der Ausweitung der WAAM-Anwendungen zunehmen. Insgesamt verdeutlichen die steigenden Suchtrends die Bedeutung von WAAM als fortschrittliches Herstellungsverfahren, das sowohl in der Industrie als auch im akademischen Bereich weltweit immer mehr Anerkennung findet.

Geschichte und Entwicklung von WAAM

Die additive Fertigung mit Lichtbogen hat ihren Ursprung in den Lichtbogenschweißtechniken, die im frühen 20. Die anfängliche Forschung und Entwicklung konzentrierte sich auf die Nutzung von Lichtbogenschweißverfahren für 3D-Druckanwendungen in kleinem Maßstab. Spätere Fortschritte ermöglichten höhere Abscheidungsraten und Fähigkeiten für eine produktionsreife Fertigung. Zu den wichtigsten Meilensteinen gehörten die Entwicklung des Metall-Lichtbogenschweißens (GMAW) im Jahr 1948, die erfolgreiche Anwendung des Formschweißens im Jahr 1983 und die ersten Patente, die in den 1990er Jahren für die auf Drahtbogen basierende additive Fertigung angemeldet wurden.

Fortgesetzte Forschung führte zu Entwicklungen wie Tandemschweißen für höhere Abscheidungsraten, Kaltmetalltransferschweißen (CMT) für geringeren Wärmeeintrag und Verfeinerungen bei der Prozessüberwachung. Hybride Ansätze, die WAAM mit Fräsen kombinieren, wurden ebenfalls entwickelt, um die Oberflächenqualität zu verbessern. In den letzten zehn Jahren haben breitere industrielle und akademische Interessen die weltweiten F&E-Anstrengungen beschleunigt, um das volle Potenzial der additiven Fertigung mit Drahtbogen für Herstellung von Blechen. Gegenwärtig konzentrieren sich umfangreiche Forschungsaktivitäten auf die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Qualität der Endprodukte und der Wiederholbarkeit der Leistung.

WAAM Technologie

Bei der additiven Fertigung mit Lichtbogen wird das Lichtbogenschweißen als Wärmequelle genutzt, um die 3D-Druck im Prototyping von Metallkomponenten Schicht für Schicht. Zwei Hauptverfahren, die zur Herstellung der Biegung verwendet werden, sind das Gas-Metall-Rundbogenschweißen (GMAW) und das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW). Beim GMAW-Schweißen wird eine Kathode aus einem Schweißdraht durch eine Schweißlampe versorgt, die eine Kurve zwischen dem Draht und dem Grundmaterial erzeugt, um ein Schweißbad zu bilden.

Der Lichtbogen schmilzt den Draht und das Material wird durch den Transfer auf das Substrat aufgebracht. Das WIG-Verfahren bietet eine hohe Energieeffizienz, hat aber Probleme bei der Aufrechterhaltung der Prozessstabilität. Beim WIG-System wird eine nicht verbrauchbare Wolframelektrode zusammen mit einem separaten Drahtvorschubmechanismus verwendet, um den Zusatzwerkstoff in das Schweißbad einzuführen. Es bietet eine bessere Bewegungskontrolle im Vergleich zum GMAW und minimiert Spritzer. Allerdings hat das WIG-Verfahren eine geringere Energieeffizienz, da es auf Widerstandserwärmung statt auf direktem Schmelzen mit einer abschmelzenden Elektrode beruht.

Eine abgewandelte Version, das so genannte Cold Metal Transfer (CMT) GMAW, erfreut sich zunehmender Beliebtheit, da es durch Kurzschlussmechanismen einen geringeren Wärmeeintrag und eine nahezu spritzerfreie Abscheidung ermöglicht. Neben Einzeldrahtsystemen verbessern Tandemschweißverfahren wie das Doppeldraht-GMAW die Abscheidungsrate durch die Verwendung von zwei parallelen Schweißdrähten. Andere Varianten sind Hybridsysteme, die die additive Fertigung mit Lichtbogen mit dem numerisch gesteuerten Fräsen kombinieren, um additive und subtraktive Prozesse in einer kombinierten Anlage durchzuführen. Oberflächenveredelungen.

Methoden zum Schweißen

Systeme für die additive Fertigung mit Lichtbogen verwenden entweder das Metallgasschweißen (GMAW), das Wolframgasschweißen (GTAW) oder das Plasmaschweißen (PAW) als Wärmequellen zum Schmelzen des Drahtvormaterials. GMAW-Systeme verwenden einen abschmelzenden Elektrodendraht, während GTAW und PAW mit nicht abschmelzenden Elektroden und separaten Drahtvorschüben arbeiten. Jede Technik beeinflusst die Abscheidungseigenschaften je nach Wärmezufuhr unterschiedlich.

Entwicklungen

Mehr als herkömmliche Ein-Draht-Systeme, Elektronenstrahlschweißen Die gleichzeitige Verwendung von Doppeldraht-Verbrauchsmaterialien ermöglicht die Entwicklung gewünschter Mischungen oder funktionaler Gradienten innerhalb der Teile. In einigen WAAM-Geräten ist auch eine Hybridisierung mit dem Fräsen integriert, um durch die Online-Bearbeitung der gedruckten Schichten eine bessere Oberflächengüte zu erzielen). Die Wärmequelle, die Art der Drahtzufuhr, die Abschirmatmosphäre und andere Kontrollparameter sind nach wie vor aktiv erforschte Variablen.

Additive Metallverarbeitung

Die additive Fertigung mit Lichtbogen (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) arbeitet mit der direkten computergestützten Herstellung von Metallteilen durch schichtweises Auftragen von Flüssigmetalldrähten. Diese granulare Perspektive, die von dreischichtigen (3D) PC-gestützten Planmodellen (Computer Aided Design) angetrieben wird, ermöglicht die Entwicklung von Teilen mit komplexen Berechnungen, die mit herkömmlichen Montagestrategien unpraktisch sind. Anstelle der Einschränkungen, die sich aus der begrenzten Zugänglichkeit von Werkzeugen bei subtraktiven Verfahren ergeben, nutzt WAAM fortschrittliche Bewegungssteuerungs- und Lichtbogenschweißsysteme, um rein durch virtuelle Modelle definierte Strukturen herzustellen.

Durch die Befreiung der Fertigung von der Abhängigkeit von Formgebung und Werkzeugbau erhöht WAAM die Designflexibilität und ermöglicht eine bedarfsgerechte Serienproduktion von kundenspezifischen Varianten in kleinen Stückzahlen. Dies eignet sich gut für die Herstellung von Prototypen und ersetzt den modellbasierten Feinguss. WAAM eignet sich auch für die schnelle Herstellung von Ersatz- oder Reparaturteilen und vermeidet die langen Vorlaufzeiten herkömmlicher Techniken. Durch die nahezu vollständige Materialausnutzung im Vergleich zu Materialabtragsverfahren bringt die additive Fertigung mit Drahtbogen erhebliche Materialeinsparungen und weniger Abfall mit sich.

CAD/CAM-Integration

Durch das schichtweise Hinzufügen von geschweißten Drähten ermöglicht die additive Fertigung mit Drahtbögen den 3D-Druck von Strukturen mit geometrischer Komplexität, die mit subtraktiven Methoden nicht zu erreichen sind. CAD/CAM Daten.

Material Anwendungsbereich

WAAM erweitert das Spektrum der in der additiven Fertigung verwendeten Metalle, von Strukturlegierungen bis hin zu reaktiven Metallen. Zu den relevanten Legierungen gehören Baustähle, Superlegierungen, reaktives Magnesium sowie aufgrund der hohen Energieintensität des Lichtbogens refraktäre Metalle. Spezielle Füllstoffzusammensetzungen können auch maßgeschneiderte mechanische, chemische oder physikalische Mischungen während der Abscheidung durch gleichzeitige Mehrdrahtstrategien erreichen.

Herausforderungen in WAAM

Prozess-Parameter

Probleme wie Eigenspannungen, mikrostrukturelle Veränderungen und Defekte entstehen durch den Wärmeeintrag bei der additiven Fertigung mit Drahtbogen. Qualität hängt von der Kontrolle der Parameter ab. Die Qualität des aufgetragenen Materials hängt stark von der Einstellung der Parameter ab, um unerwünschte Effekte zu begrenzen, wie z.B. die Aufrechterhaltung stabiler Lichtbogeneigenschaften und die Steuerung der Zwischenlagentemperaturen durch optimierte Schweißströme, Spannungen, Geschwindigkeiten und Abschirm-/Kühlintervalle.

Abschwächungstechniken

Zu den Ansätzen zur Lösung der Probleme gehören die Senkung der Wärmezufuhr, Inter-Pass-Prozesse, Wärmebehandlungen und Qualitätsüberwachung. Die Optimierung der Parameter hat sich auf die Senkung der Wärmezufuhr durch CMT-Schweißen oder höhere Schweißgeschwindigkeiten konzentriert, um die Körner durch erhöhte Abkühlungsraten zu verfeinern. Andere Ansätze umfassen Abkühlungsintervalle zwischen den Lagen, Walzen/Schmieden zwischen den Lagen und Nachbehandlung. Architektonische Metallverarbeitung Wärmebehandlungen. Kontrolliertes Multi-Pass-Plattieren behebt auch Restspannungen. Fortschritte bei der Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle tragen ebenfalls zur Wiederholbarkeit der Herstellung bei.

Materialien und Anwendungen

Fähigkeiten der Legierung

Die additive Fertigung mit Drahtbogen ermöglicht ein breites Spektrum an Legierungen für strukturelle und funktionelle Anwendungen. Gängige Materialauswahl für Techniken der Metallverarbeitung umfassen rostfreie Stähle und Superlegierungen, die in Turbinen, Flugzeugen und in der Erdöltechnik bevorzugt werden. Titan findet breite Anwendung in der Biomedizin und der Schifffahrt, wo es seine Korrosionsbeständigkeit und sein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Dichte nutzt.

Industrie Verwendung

Die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt WAAM für die Herstellung komplexer Triebwerkskomponenten, Brennkammern und Turbinenschaufeln. Zu den Anwendungen in der Automobilindustrie gehören Wärmetauscher, Turbolader und leichte Fahrzeugstrukturen. In der Schifffahrt rationalisiert WAAM den Schiffbau durch den Direktdruck von Schotten, Versteifungen und anderen Rumpfteilen. Im medizinischen Bereich werden außerdem maßgeschneiderte Implantate, Gerüste und Prothesen aus biokompatiblem Titan und rostfreiem Stahl hergestellt.

Forschungstrends und Zukunftsaussichten

Laufende Forschungsbereiche

Aktive Bereiche der Forschung im Bereich der additiven Fertigung mit Lichtbogen konzentrieren sich auf weitere Legierungs-/Prozessentwicklungen, Qualitätskontrolle, Hybridtechniken und simulationsbasierte Optimierung. Die Entwicklungen konzentrieren sich auf die Verfeinerung von Metall-Prozess-Kombinationen, die Entwicklung von adaptiven Kontrollen, Hybridtechniken und digitale Modellierung. Studien befassen sich mit der Optimierung von Parametern wie Pulsfrequenzen und Wellenformen sowie der Optimierung von mehreren Schichten, mechanische Nachbehandlungen und das Verbinden ungleicher Materialien.

Zukünftiges Potenzial

Künftiges Wachstum erfordert Demonstrationen für eine zuverlässige Serienfertigung im industriellen Maßstab. Der Ausbau von Materialbibliotheken, die Zertifizierung für regulierte Bereiche sowie Standardisierungsbemühungen würden die Akzeptanz weiter erhöhen. Mit engagierten Forschungsinvestitionen hat die additive Fertigung mit Lichtbögen das Potenzial, sich zu einer Mainstream-Fertigungsplattform zu entwickeln, die mit dem traditionellen Stanzen oder Gießen konkurrieren und es ersetzen kann.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die additive Fertigung mit Lichtbogen als robuste Methode für die additive Fertigung von Metallen erwiesen hat. Durch die Nutzung des Lichtbogenschweißens als wirtschaftliche Schmelzquelle in Verbindung mit einer kontinuierlichen Drahtvorschubmechanik ermöglicht WAAM die digitale Metallverarbeitung in der Kunst von großformatigen Teilen mit hoher Materialeffizienz und Abscheiderate. Trotz der inhärenten wärmebedingten Herausforderungen, mit denen wir konfrontiert sind, wird die WAAM-Fähigkeit durch optimierte Verarbeitung, neuartige Legierungen und die Integration von Hybridtechniken weltweit aktiv ausgebaut. Durch die Beseitigung von Nachteilen und die Verfeinerung der Prozesssteuerung ist WAAM gut aufgestellt, um in Zukunft seinen Beitrag zur hocheffizienten und digitalen Metallherstellung in allen Industriezweigen zu leisten.

FAQs:

Q. Wofür steht WAAM?

A. WAAM steht für Wire Arc Additive Manufacturing. Bei dieser Art der additiven Fertigung wird ein elektrischer Lichtbogen als Intensitätsquelle verwendet, um Metalldraht als Ausgangsmaterial zu verflechten und die Teile Schicht für Schicht zu konstruieren. Das kreisförmige Segment wird in der Regel durch Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) oder Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) unter ständiger Verwendung eines Metalldrahtes hergestellt. Dies berücksichtigt den sorgfältig bestimmten 3D-Druck von Metallteilen.

Q. Wie funktioniert WAAM?

A. Beim WAAM-Verfahren wird ein Schweißbrenner verwendet, um einen Lichtbogen zwischen der Spitze des Zuführungsdrahtes und dem Substrat oder der Grundplatte zu erzeugen. Wenn der Lichtbogen den zugeführten Draht schmilzt, werden Tröpfchen übertragen und bilden eine Schweißraupe. Diese Raupe wird auf das Substrat aufgetragen und bildet die erste Schicht. Dann wird der Schweißbrenner auf der Grundlage der Software-Werkzeugwegplanung neu positioniert, um aufeinanderfolgende Schweißraupen und Lagen aufzutragen, um das Teil schrittweise mit der gewünschten Form und den Abmessungen gemäß den eingegebenen 3D-Modelldaten aufzubauen. Ein inertes Schutzgas schützt den Lichtbogen und das geschmolzene Metall während des Auftragens vor Verunreinigungen.

Q. Welche Materialien können in WAAM verwendet werden?

A. Zu den üblichen Materialien, die in der additiven Fertigung mit Drahtbögen verwendet werden, gehören Stahlverbindungen wie vorbereitete, gehärtete Stähle, Superlegierungen wie Inconel und Hastelloy für die Luftfahrt, Aluminiumamalgame für den Automobil- und Marinebereich, Titan und seine Kombinationen für klinische Einsätze und die Luftfahrt sowie reaktionsfähige Magnesium-Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht an Interesse gewinnen. Die neue Untersuchung befasst sich außerdem mit Verbundwerkstoffen auf Nickel- und Magnesiumbasis, die unter Verwendung von WAAM hergestellt werden.

Q. Welche Branchen nutzen WAAM?

A. Zu den wichtigsten Industriezweigen, in denen WAAM-Technologien zum Einsatz kommen, gehören die Luft- und Raumfahrt für die Herstellung von Komponenten für Flugzeugtriebwerke, die eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern, die Automobilindustrie für die Herstellung von Turboladern, Motorblöcken usw., die Schifffahrt für Anwendungen im Schiffbau, die Energieerzeugung für die Herstellung von Turbinen, Pipelines und Reaktoren, die Herstellung von Industrieanlagen sowie die Medizin- und Zahntechnik, da Titan und Edelstahl in großem Umfang für Implantate, Gerüste und Prothesen verwendet werden.

Q. Welche Herausforderungen werden in WAAM angegangen?

A. Die Forschung zielt darauf ab, Probleme zu minimieren, die sich aus der hohen Wärmezufuhr während des WAAM-Prozesses ergeben, wie Eigenspannungen, heterogene Mikrostrukturen und Defekte. Dazu gehören die Optimierung von Prozessparametern wie Strömen, Geschwindigkeiten und Abkühlzeiten, die Entwicklung adaptiver Steuerungen, die Entwicklung hybrider Verfahren, die additive und subtraktive Prozesse kombinieren, die Anwendung von Nachbehandlungen wie Wärmebehandlungen, die zerstörungsfreie Überwachung und mehr. Ziel ist es, durch WAAM große Metallteile in gleichbleibend hoher Qualität herzustellen.