Explorando la fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM): Innovaciones en la fabricación de metales

Este documento abarca una exploración exhaustiva de la Fabricación Aditiva por Arco de Alambre (WAAM), comenzando con una Introducción que esboza sus ventajas y las tendencias de interés mundial. La Historia y evolución de la WAAM analiza sus orígenes y los hitos significativos de su desarrollo. La sección sobre Tecnología WAAM profundiza en los procesos fundamentales, incluyendo GMAW, GTAW e innovaciones como la Transferencia de Metal en Frío. A continuación, Métodos de soldadura ofrece un análisis comparativo de diversas técnicas de soldadura, mientras que Desarrollos en WAAM destaca avances como la soldadura en tándem y la integración del fresado.

La sección Fabricación aditiva de metales examina el enfoque de fabricación por capas, la flexibilidad del diseño y la eficiencia de los materiales. La Integración CAD/CAM explica el papel de los datos CAD, y la Gama de aplicaciones de materiales esboza los tipos de metales y aleaciones especiales utilizados. La sección Desafíos en WAAM aborda los parámetros del proceso y las técnicas de mitigación para la mejora de la calidad. Materiales y aplicaciones cubre las capacidades de las aleaciones y los usos específicos de la industria, mientras que Tendencias de la investigación y perspectivas de futuro analiza la investigación en curso y el potencial de la fabricación a escala industrial.

Fabricación aditiva de metales: Explorando la fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM)

La fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM) es una imaginativa técnica de metal Impresión en 3D estrategia que utiliza una curva eléctrica como fuente de energía y alambre metálico como materia prima de sustancia natural. Al depositar el material de alambre líquido capa a capa mediante el testimonio de sustancia añadida, WAAM permite la creación de base de piezas metálicas complicadas. En comparación con otros métodos de fabricación aditiva de metales, como la fusión de lecho de polvo por láser, la WAAM ofrece ventajas significativas, como mayores tasas de deposición, menores costes de equipos y materiales, y aplicabilidad para la fabricación a gran escala Sin embargo, los elevados aportes de calor durante el proceso WAAM plantean retos a la hora de conseguir las microestructuras, las propiedades mecánicas y la garantía de calidad deseadas. Los problemas surgen debido a las tensiones residuales, las propiedades heterogéneas y los defectos.

No obstante, los continuos perfeccionamientos mediante la optimización de los parámetros, la supervisión durante el proceso y los tratamientos posteriores a la deposición están ayudando a abordar estas limitaciones. Un examen de los patrones de búsqueda en Google aporta datos fascinantes sobre el interés que está despertando últimamente la innovación en la fabricación aditiva por arco de alambre en general. Un estudio de los patrones de búsqueda en todo el mundo a partir de 2015 muestra que las búsquedas de "WAAM" comenzaron a acelerarse en torno a 2018 y se han expandido de forma constante desde ese momento en adelante. Por regiones, países europeos como el Reino Unido y Alemania, junto con Australia y Nueva Zelanda, han registrado los mayores volúmenes de búsqueda sobre temas relacionados con la WAAM.

Esto se corresponde con la importante investigación sobre WAAM que se está llevando a cabo en estas regiones. Curiosamente, las naciones africanas también están mostrando un repunte en las búsquedas de fabricación aditiva por arco de alambre, lo que probablemente refleja un interés por adoptar tecnologías más asequibles. impresión metálica en 3D métodos. Las búsquedas procedentes de países asiáticos siguen siendo moderadas en la actualidad, pero se espera que aumenten en los próximos años a medida que se amplíen las aplicaciones de la WAAM. En general, el aumento de las tendencias de búsqueda pone de relieve la importancia de la WAAM como proceso de fabricación avanzado que está adquiriendo un mayor reconocimiento a nivel mundial entre las comunidades industriales y académicas.

Historia y evolución de la WAAM

La fabricación aditiva por arco de alambre tiene sus orígenes en las técnicas de soldadura por arco desarrolladas a principios del siglo XX. La investigación y el desarrollo iniciales se centraron en la utilización de métodos de soldadura por arco para aplicaciones de impresión 3D a pequeña escala. Avances posteriores permitieron mayores tasas de deposición y capacidades para la fabricación a nivel de producción. Los principales hitos incluyeron el desarrollo de la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) en 1948, las aplicaciones con éxito de la soldadura de forma en 1983 y las patentes iniciales presentadas para la fabricación basada en la fabricación aditiva por arco de alambre en la década de 1990.

La investigación continua dio lugar a desarrollos como la soldadura en tándem para mejorar las tasas de deposición, la soldadura por transferencia de metal en frío (CMT) para reducir los aportes de calor y los perfeccionamientos en la supervisión del proceso. También surgieron enfoques híbridos que fusionaban la WAAM con el fresado para mejorar la calidad de la superficie. En la última década, intereses industriales y académicos más amplios han acelerado los esfuerzos mundiales de I+D para hacer realidad todo el potencial de la fabricación aditiva por arco de alambre para fabricación de chapa metálica. En la actualidad, las amplias actividades de investigación se centran en abordar los retos relacionados con la calidad de la pieza final y la repetibilidad del rendimiento.

Tecnología WAAM

La fabricación aditiva por arco de alambre utiliza la soldadura por arco eléctrico como fuente de calor para facilitar La impresión 3D en la creación de prototipos de componentes metálicos capa por capa. Los dos procesos principales utilizados para producir la curvatura son la soldadura por arco circular de metal con gas (GMAW) y la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). En GMAW, un cátodo de alambre consumible se cuida a través de una luz de soldadura que proporciona una curva entre el alambre y el material base para hacer un baño de soldadura.

El arco funde el alambre y se produce la transferencia para depositar el material sobre el sustrato. El sistema GMAW ofrece una gran eficiencia energética pero tiene dificultades para mantener la estabilidad del proceso. En el sistema GTAW, se utiliza un electrodo de tungsteno no consumible junto con un mecanismo de alimentación de alambre independiente para introducir el metal de aportación en el baño de soldadura. Proporciona un mejor control del movimiento en comparación con GMAW y minimiza las salpicaduras. Sin embargo, el GTAW tiene una menor eficiencia energética, ya que se basa en el calentamiento resistivo en lugar de la fusión directa mediante un electrodo consumible.

Una versión modificada denominada GMAW de transferencia de metal en frío (CMT) está ganando popularidad ya que consigue un aporte de calor reducido y una deposición casi sin salpicaduras mediante mecanismos de cortocircuito. Más allá de los sistemas de hilo único, los enfoques de soldadura en tándem como el GMAW de hilo doble mejoran la tasa de deposición mediante el uso de dos hilos consumibles paralelos. Otras variantes incluyen los sistemas híbridos que integran la fabricación aditiva por arco de alambre con el fresado por control numérico computerizado para realizar la fabricación aditiva y los procesos sustractivos en una configuración combinada para una mejor acabados superficiales.

Métodos de soldadura

Los sistemas de fabricación aditiva por arco de alambre utilizan la soldadura por arco de metal con gas (GMAW), la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) o la soldadura por arco de plasma (PAW) como fuentes de calor para fundir el alambre de alimentación. Los sistemas GMAW emplean un alambre de electrodo consumible, mientras que GTAW y PAW se basan en electrodos no consumibles y alimentadores de alambre independientes. Cada técnica influye de forma diferente en las características de deposición en función de los aportes de calor.

Desarrollos

Más allá de los sistemas convencionales de un solo cable, soldadura por haz de electrones El empleo simultáneo de consumibles de doble hilo permite diseñar las mezclas de composición deseadas o los gradientes funcionales dentro de las piezas. La hibridación con el fresado también está integrada en algunas unidades WAAM, con el objetivo de obtener mejores acabados superficiales mediante el mecanizado en línea de las capas impresas). La fuente de calor, el modo de suministro del hilo, las atmósferas de protección y otros parámetros de control siguen siendo variables activamente investigadas.

Fabricación aditiva de metales

La fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM) trabaja con la fabricación directa por ordenador de piezas metálicas mediante el enunciado capa por capa de alambres de metal líquido. Esta perspectiva granular impulsada por modelos de planos (diseño asistido por ordenador) de tres capas (3D) soportados por PC permite el desarrollo de piezas con cálculos complejos impracticables con las estrategias de ensamblaje habituales. En lugar de las restricciones derivadas de los límites de accesibilidad de las herramientas en los procesos sustractivos, WAAM aprovecha el control de movimiento avanzado y los sistemas de soldadura por arco para construir estructuras definidas puramente por modelos virtuales.

Al liberar la fabricación de las dependencias de moldeo y utillaje, WAAM mejora la flexibilidad del diseño y permite la producción en serie bajo demanda de variantes personalizadas de bajo volumen. Resulta muy adecuado para la producción de prototipos, sustituyendo a la fundición a la cera perdida basada en patrones. WAAM también se presta a la fabricación rápida de piezas de recambio o reparación, evitando los largos plazos de entrega de las técnicas convencionales. Con una utilización casi completa del material en comparación con los métodos de eliminación de material, la fabricación aditiva por arco de alambre aporta un importante ahorro de material y una menor generación de residuos.

Integración CAD/CAM

Mediante la adición capa a capa de alambres soldados, la fabricación aditiva por arco de alambre permite la impresión metálica en 3D de estructuras con una complejidad geométrica inalcanzable por medios sustractivos utilizando CAD/CAM datos.

Material Gama de aplicaciones

La WAAM amplía el abanico de metales utilizados en la fabricación aditiva, desde las aleaciones estructurales hasta los metales reactivos. Las aleaciones relevantes incluyen aceros estructurales, superaleaciones, magnesios reactivos, así como metales refractarios debido a la alta intensidad energética del arco eléctrico. Las composiciones de relleno especializadas también pueden lograr mezclas mecánicas, químicas o físicas a medida durante la deposición mediante estrategias simultáneas de varios hilos.

Desafíos en WAAM

Parámetros del proceso

Durante la fabricación aditiva por arco de alambre surgen problemas derivados de las entradas de calor, como tensiones residuales, variaciones microestructurales y defectos. La calidad depende del control de los parámetros. La calidad del depósito depende sensiblemente del ajuste de los parámetros para reducir los efectos indeseables, como el mantenimiento de unas propiedades estables del arco y la gestión de las temperaturas entre capas mediante la optimización de las corrientes de soldadura, los voltajes, las velocidades y los intervalos de protección/refrigeración.

Técnicas de mitigación

Los enfoques para abordar los problemas pasan por reducir los aportes de calor, los procesos entre pasadas, los tratamientos térmicos y la supervisión de la calidad. La optimización de los parámetros se ha centrado en la reducción de los aportes de calor mediante la soldadura CMT o velocidades de soldadura más altas para refinar los granos mediante mayores velocidades de enfriamiento. Otros enfoques implican intervalos de enfriamiento entre pasadas, laminado/forjado entre capas y post fabricación de metal arquitectónico tratamientos térmicos. El revestimiento multipaso controlado también aborda las tensiones residuales. Los avances en la supervisión del proceso y el control de calidad contribuyen aún más a una fabricación repetible.

Materiales y aplicaciones

Capacidades de aleación

La fabricación aditiva por arco de alambre facilita un amplio espectro de aleaciones para aplicaciones estructurales y funcionales. Opciones de materiales comunes para técnicas de fabricación de metales conllevan aceros inoxidables y superaleaciones preferidas en turbinas, aeronaves e ingeniería petrolífera. El titanio encuentra un amplio empleo en aplicaciones biomédicas y marinas aprovechando su resistencia a la corrosión y su ventaja en la relación resistencia/densidad.

Uso industrial

La industria aeroespacial aprovecha la WAAM para fabricar componentes complejos de motores, cámaras de combustión y perfiles aerodinámicos de turbinas. Las aplicaciones de automoción incluyen intercambiadores de calor, turbocompresores y estructuras ligeras para vehículos. En el sector naval, la WAAM agiliza la construcción de barcos mediante la impresión directa de mamparos, rigidizadores y otras piezas del casco. El campo médico también explora implantes, andamiajes y prótesis personalizados utilizando titanio biocompatible y aceros inoxidables.

Tendencias de la investigación y perspectivas de futuro

Áreas de investigación en curso

Las áreas activas de la investigación en fabricación aditiva por arco de alambre se centran en nuevos desarrollos de aleaciones/procesos, control de calidad, técnicas híbridas y optimización basada en la simulación. Los desarrollos se centran en refinar las combinaciones metal-proceso, idear controles adaptativos, técnicas de hibridación y modelado digital. Los estudios se centran en la optimización de parámetros como las frecuencias de pulsación y las formas de onda, y la optimización multicapa, postratamientos mecánicos y la unión de materiales disímiles.

Potencial futuro

El crecimiento futuro requiere demostraciones para la fabricación en serie de forma fiable a escalas industriales. La ampliación de las bibliotecas de materiales, la certificación para dominios regulados y los esfuerzos de normalización reforzarían aún más su aceptabilidad. Con inversiones comprometidas en investigación, la fabricación aditiva por arco de alambre muestra un gran potencial para madurar y convertirse en una plataforma de fabricación generalizada que rivalice y sustituya a la estampación tradicional en molde cerrado o a la fundición a escala real.

Conclusión

En conclusión, la fabricación aditiva por arco de alambre ha surgido como una sólida metodología de fabricación aditiva para metales. Al aprovechar la soldadura por arco eléctrico como fuente de fusión económica junto con la mecánica de alimentación continua del hilo, la WAAM facilita la fabricación digital de la fabricación de metales en el arte de piezas a gran escala con altas eficiencias de material y tasas de deposición. A pesar de los retos inherentes relacionados con el calor a los que se enfrenta, la investigación en curso en todo el mundo está ampliando activamente las capacidades de la WAAM mediante un procesamiento optimizado, aleaciones novedosas y la integración de técnicas híbridas. Una vez resueltos los inconvenientes y perfeccionados los controles del proceso, la WAAM está bien preparada para hacer realidad en el futuro sus aportaciones a la fabricación metálica digital y de alta eficiencia en todos los sectores industriales.

Preguntas frecuentes:

Q. ¿Qué significa WAAM?

A. WAAM son las siglas en inglés de Fabricación Aditiva por Arco de Alambre. Es un tipo de fabricación aditiva que utiliza una curva eléctrica como fuente de intensidad para entrelazar la materia prima de alambre metálico y construir piezas capa a capa. El segmento circular se crea normalmente mediante soldadura por arco metálico con gas (GMAW) o soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) mientras se cuida persistentemente un alambre metálico. Esto tiene en cuenta la impresión en 3D de piezas metálicas cuidadosamente determinadas.

Q. ¿Cómo funciona WAAM?

A. En el proceso WAAM, se utiliza un soplete de soldadura para producir un arco eléctrico entre la punta del alambre alimentado y el sustrato o la placa base. A medida que el arco funde el alambre alimentado, las gotas se transfieren para formar un cordón de soldadura. Este cordón se deposita sobre el sustrato para formar la primera capa. A continuación, la antorcha de soldadura se reposiciona basándose en la planificación de la trayectoria de la herramienta del software para depositar sucesivos cordones de soldadura y capas para construir gradualmente la pieza con la forma y las dimensiones deseadas según los datos del modelo 3D de entrada. Un gas de protección inerte protege el arco y el metal fundido de la contaminación durante la deposición.

Q. ¿Qué materiales pueden utilizarse en WAAM?

A. Los materiales normales utilizados en la fabricación aditiva por arco de alambre incorporan compuestos de acero como los aceros templados y preparados para aparatos; superaleaciones como Inconel y Hastelloy para aplicaciones aeronáuticas; amalgamas de aluminio para las áreas automovilística y marina; titanio y sus combinaciones para insertos clínicos y aviación; y compuestos de magnesio sensibles que están adquiriendo interés por sus elevadas propiedades de solidaridad con el peso. El nuevo examen analiza además los compuestos a base de níquel y magnesio fabricados utilizando WAAM.

Q. ¿Qué industrias utilizan WAAM?

A. Los sectores industriales clave que utilizan las tecnologías WAAM incluyen el aeroespacial para la fabricación de componentes de motores de aviones que requieren resistencia a altas temperaturas; el automovilístico para la fabricación de turbocompresores, bloques de motor, etc.; el naval para aplicaciones de construcción de barcos; la producción de energía para la fabricación de turbinas, tuberías y reactores; la fabricación de equipos industriales; y el médico/dental, ya que el titanio y el acero inoxidable se utilizan ampliamente para implantes, andamios y prótesis.

Q. ¿Qué retos se abordan en WAAM?

A. La investigación pretende minimizar los problemas derivados de los elevados aportes de calor durante el WAAM, como las tensiones residuales, las microestructuras heterogéneas y los defectos. Esto implica optimizar los parámetros del proceso como corrientes, velocidades, tiempos de enfriamiento; desarrollar controles adaptativos; idear técnicas híbridas que combinen procesos aditivos y sustractivos; emplear tratamientos posteriores a la deposición como tratamientos térmicos; monitorización no destructiva y mucho más. El objetivo es producir piezas metálicas de gran tamaño consistentes y de alta calidad mediante WAAM.