...

Exploration de la fabrication additive par arc électrique (WAAM) : Innovations dans la fabrication des métaux

Fabrication additive par arc électrique

Table des matières

Ce document présente une exploration complète de la fabrication additive par arc électrique (WAAM), en commençant par une introduction qui décrit ses avantages et les tendances de l'intérêt mondial. L'histoire et l'évolution du WAAM traitent de ses origines et des étapes importantes de son développement. La section consacrée à la technologie de la FAA examine les procédés fondamentaux, notamment le GMAW, le GTAW et les innovations telles que le transfert de métal à froid. Ensuite, les méthodes de soudage fournissent une analyse comparative des différentes techniques de soudage, tandis que les développements dans le domaine du WAAM mettent en lumière des avancées telles que le soudage en tandem et l'intégration du fraisage.

La section sur la fabrication additive de métaux examine l'approche de la fabrication couche par couche, la flexibilité de la conception et l'efficacité des matériaux. L'intégration CAO/FAO explique le rôle des données CAO, et la gamme d'applications des matériaux décrit les types de métaux et d'alliages spéciaux utilisés. La section Défis du WAAM aborde les paramètres du processus et les techniques d'atténuation pour l'amélioration de la qualité. La section Matériaux et applications couvre les capacités des alliages et les utilisations spécifiques à l'industrie, tandis que la section Tendances de la recherche et perspectives d'avenir traite de la recherche en cours et du potentiel de fabrication à l'échelle industrielle.

Fabrication additive métallique : Exploration de la fabrication additive par arc électrique (WAAM)

Fabrication additive par arc électrique

La fabrication additive par arc électrique (WAAM) est un procédé imaginatif de fabrication additive à partir de métaux. Impression 3D Le WAAM est une stratégie qui utilise une courbe électrique comme source d'énergie et un fil métallique comme matière première naturelle. En déposant le fil métallique liquide couche par couche par l'intermédiaire d'un témoignage de substance ajoutée, le WAAM permet de créer des pièces métalliques complexes à partir de la base. Comparé à d'autres méthodes de fabrication additive de métaux telles que la fusion laser sur lit de poudre, le WAAM offre des avantages significatifs tels que des taux de dépôt plus élevés, des coûts d'équipement et de matériaux plus faibles et une applicabilité pour la fabrication à grande échelle. Ces problèmes sont dus aux contraintes résiduelles, aux propriétés hétérogènes et aux défauts.

Néanmoins, des perfectionnements continus grâce à l'optimisation des paramètres, à la surveillance en cours de processus et aux traitements post-dépôt permettent de remédier à ces limitations. Un examen des modèles de recherche sur Google fournit des éléments d'information fascinants sur l'intérêt croissant pour l'innovation en matière de fabrication additive par arc électrique. Une étude des modèles de recherche à l'échelle mondiale à partir de 2015 montre que les recherches sur le terme "WAAM" ont commencé à s'accélérer vers 2018 et n'ont cessé de se développer depuis lors. Sur le plan régional, les pays européens comme le Royaume-Uni et l'Allemagne, ainsi que l'Australie et la Nouvelle-Zélande, ont enregistré les volumes de recherche les plus élevés pour les sujets liés au WAAM.

Cela correspond à l'importance de la recherche sur le WAAM dans ces régions. Il est intéressant de noter que les pays africains affichent également une hausse des recherches sur la fabrication additive par arc électrique, ce qui reflète probablement un intérêt pour l'adoption de technologies de fabrication additive par arc électrique plus abordables. impression 3D de métaux les méthodes. Les recherches en provenance des pays asiatiques restent modérées à l'heure actuelle, mais devraient augmenter dans les années à venir à mesure que les applications du WAAM se développent. Dans l'ensemble, les tendances de recherche en hausse soulignent l'importance du WAAM en tant que procédé de fabrication avancé, qui gagne en reconnaissance au niveau mondial parmi les communautés industrielles et universitaires.

Histoire et évolution de la WAAM

La fabrication additive par arc électrique trouve son origine dans les techniques de soudage à l'arc mises au point au début du 20e siècle. La recherche et le développement initiaux se sont concentrés sur l'utilisation des méthodes de soudage à l'arc pour des applications d'impression 3D à petite échelle. Les progrès ultérieurs ont permis d'augmenter les taux de dépôt et les capacités de production. Parmi les principales étapes, citons le développement du soudage à l'arc sous gaz (GMAW) en 1948, les applications réussies du soudage de forme en 1983 et les premiers brevets déposés pour la fabrication additive à base de fil d'arc dans les années 1990.

La poursuite de la recherche a conduit à des développements tels que le soudage en tandem pour améliorer les taux de dépôt, le soudage par transfert de métal à froid (CMT) pour réduire les apports de chaleur et affiner le contrôle du processus. Des approches hybrides associant le WAAM et le fraisage sont également apparues pour améliorer la qualité de la surface. Au cours de la dernière décennie, des intérêts industriels et universitaires plus larges ont accéléré les efforts de R&D au niveau mondial pour réaliser le plein potentiel de la fabrication additive à l'arc électrique pour les applications suivantes fabrication de tôles. Actuellement, de vastes activités de recherche sont axées sur la résolution des problèmes liés à la qualité des pièces finales et à la répétabilité des performances.

Technologie WAAM

Technologie WAAM

La fabrication additive par arc électrique utilise la soudure à l'arc électrique comme source de chaleur pour faciliter la fabrication additive par arc électrique. L'impression 3D dans le prototypage de composants métalliques couche par couche. Les deux principaux procédés utilisés pour produire le pliage sont le soudage circulaire à l'arc sous gaz métallique (GMAW) et le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW). Dans le cas du GMAW, la cathode d'un fil consommable est entretenue par une lampe à souder qui produit une courbe entre le fil et le matériau de base afin de créer un bain de soudure.

L'arc fait fondre le fil et le transfert a lieu pour déposer le matériau sur le substrat. Le procédé GMAW offre un rendement énergétique élevé, mais il est difficile de maintenir la stabilité du procédé. Dans le système GTAW, une électrode en tungstène non consommable est utilisée avec un mécanisme d'alimentation en fil séparé pour introduire le métal d'apport dans le bain de soudure. Il permet un meilleur contrôle du mouvement que le GMAW et minimise les éclaboussures. Cependant, le GTAW est moins efficace sur le plan énergétique car il repose sur un chauffage résistif plutôt que sur une fusion directe à l'aide d'une électrode consommable.

Une version modifiée, appelée transfert de métal à froid (CMT), gagne en popularité car elle permet de réduire l'apport de chaleur et d'obtenir un dépôt presque sans éclaboussures grâce à des mécanismes de court-circuit. Au-delà des systèmes à fil unique, les approches de soudage en tandem comme le GMAW à deux fils améliorent le taux de dépôt en utilisant deux fils consommables parallèles. Parmi les autres variantes, citons les systèmes hybrides qui intègrent la fabrication additive par arc à fil et le fraisage par commande numérique par ordinateur pour réaliser la fabrication additive et les processus soustractifs dans une installation combinée afin d'obtenir de meilleurs résultats. finitions de surface.

Méthodes de soudage

Les systèmes de fabrication additive à l'arc utilisent soit le soudage à l'arc sous gaz métallique (GMAW), le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) ou le soudage à l'arc plasma (PAW) comme sources de chaleur pour faire fondre le fil d'alimentation. Les systèmes GMAW utilisent un fil-électrode consommable, tandis que les systèmes GTAW et PAW utilisent des électrodes non consommables et des dévidoirs séparés. Chaque technique influence différemment les caractéristiques de dépôt en fonction des apports de chaleur.

Développements

Au-delà des systèmes conventionnels à fil unique, soudage par faisceau d'électrons L'utilisation simultanée de consommables à double fil permet d'obtenir des mélanges de composition ou des gradients fonctionnels dans les pièces. L'hybridation avec le fraisage est également intégrée dans certaines unités WAAM, afin d'obtenir de meilleurs états de surface grâce à l'usinage en ligne des couches imprimées.) La source de chaleur, le mode d'alimentation en fil, les atmosphères de protection et d'autres paramètres de contrôle restent des variables activement étudiées.

Fabrication additive de métaux

Fabrication additive de métaux

La fabrication additive par arc électrique (WAAM) consiste à fabriquer directement par ordinateur des pièces métalliques par l'application couche par couche de fils métalliques liquides. Cette perspective granulaire pilotée par des modèles de plan (conception assistée par ordinateur) à trois couches (3D) permet de développer des pièces avec des calculs complexes qui ne sont pas réalisables avec les stratégies d'assemblage habituelles. Plutôt que les contraintes liées aux limites d'accessibilité des outils dans les processus soustractifs, le WAAM exploite les systèmes avancés de contrôle des mouvements et de soudage à l'arc pour construire des structures définies uniquement par des modèles virtuels.

En libérant la fabrication des dépendances du moulage et de l'outillage, le WAAM améliore la flexibilité de la conception et permet la production en série, à la demande, de variantes personnalisées de faible volume. Il convient parfaitement à la production de prototypes, remplaçant le moulage à la cire perdue basé sur le modèle. Le WAAM se prête également à la fabrication rapide de pièces de remplacement ou de réparation, évitant ainsi les longs délais des techniques conventionnelles. Grâce à l'utilisation quasi complète des matériaux par rapport aux méthodes d'enlèvement de matière, la fabrication additive par arc électrique permet de réaliser d'importantes économies de matériaux et de réduire la production de déchets.

Intégration CAD/CAM

Grâce à l'ajout couche par couche de fils soudés, la fabrication additive par arc électrique permet d'imprimer en 3D des structures métalliques d'une complexité géométrique impossible à atteindre par des moyens soustractifs. CAD/CAM données.

Matériau Plage d'application

Le WAAM élargit le champ des métaux utilisés dans la fabrication additive, des alliages structurels aux métaux réactifs. Les alliages concernés comprennent les aciers de construction, les superalliages, les magnésiums réactifs ainsi que les métaux réfractaires en raison de la forte intensité énergétique de l'arc électrique. Les compositions de charges spéciales permettent également d'obtenir des mélanges mécaniques, chimiques ou physiques sur mesure pendant le dépôt grâce à des stratégies multifilaires simultanées.

Les défis de la WAAM

Paramètres du processus

Les problèmes liés à l'apport de chaleur au cours de la fabrication additive par arc électrique sont les suivants : contraintes résiduelles, variations microstructurelles et défauts. La qualité dépend du contrôle des paramètres. La qualité du dépôt dépend fortement du réglage des paramètres pour limiter les effets indésirables, comme le maintien de propriétés d'arc stables et la gestion des températures entre les couches par l'optimisation des courants de soudage, des tensions, des vitesses et des intervalles de protection/refroidissement.

Techniques d'atténuation

Les approches visant à résoudre les problèmes consistent à réduire les apports de chaleur, les processus inter-passes, les traitements thermiques et le contrôle de la qualité. L'optimisation des paramètres s'est concentrée sur la réduction des apports de chaleur par le biais du soudage CMT ou de vitesses de soudage plus élevées afin d'affiner les grains grâce à des vitesses de refroidissement accrues. D'autres approches concernent les intervalles de refroidissement entre les passes, le laminage/forgeage entre les couches et les traitements thermiques ultérieurs. fabrication de produits métalliques architecturaux les traitements thermiques. Le gainage contrôlé en plusieurs passes permet également de résoudre les problèmes de contraintes résiduelles. Les progrès en matière de surveillance des processus et de contrôle de la qualité facilitent encore la répétabilité de la fabrication.

Matériaux et applications

Matériaux et applications

Capacités en matière d'alliages

La fabrication additive par arc électrique permet d'obtenir un large éventail d'alliages pour des applications structurelles et fonctionnelles. Les choix de matériaux courants pour les les techniques de fabrication des métaux comprennent les aciers inoxydables et les superalliages préférés dans les turbines, les avions et l'ingénierie pétrolière. Le titane est largement utilisé dans les applications biomédicales et marines, grâce à sa résistance à la corrosion et à son rapport résistance/densité avantageux.

Utilisation dans l'industrie

L'industrie aérospatiale utilise le WAAM pour fabriquer des composants de moteur complexes, des chambres de combustion et des profils de turbine. Les applications automobiles comprennent les échangeurs de chaleur, les turbocompresseurs et les structures légères des véhicules. Dans le secteur maritime, le WAAM rationalise la construction navale en imprimant directement des cloisons, des raidisseurs et d'autres pièces de la coque. Le domaine médical explore également les implants, les échafaudages et les prothèses personnalisés en utilisant du titane et des aciers inoxydables biocompatibles.

Tendances de la recherche et perspectives d'avenir

Domaines de recherche en cours

Les domaines actifs de la recherche sur la fabrication additive par arc électrique se concentrent sur le développement d'alliages et de procédés, le contrôle de la qualité, les techniques hybrides et l'optimisation basée sur la simulation. Les développements se concentrent sur l'affinement des combinaisons métal-processus, la conception de contrôles adaptatifs, les techniques d'hybridation et la modélisation numérique. Les études portent sur l'optimisation de paramètres tels que les fréquences d'impulsion et les formes d'onde, ainsi que sur l'optimisation multicouche, les post-traitements mécaniques et l'assemblage de matériaux différents.

Potentiel futur

La croissance future nécessite des démonstrations de fabrication en série fiables à l'échelle industrielle. L'élargissement des bibliothèques de matériaux, la certification pour les domaines réglementés ainsi que les efforts de normalisation renforceraient encore son acceptabilité. Avec des investissements engagés dans la recherche, la fabrication additive par arc électrique présente un fort potentiel pour devenir une plateforme de fabrication courante rivalisant et remplaçant l'emboutissage traditionnel à matrice fermée ou le moulage à grande échelle.

Conclusion

En conclusion, la fabrication additive par arc électrique s'est imposée comme une méthode robuste de fabrication additive pour les métaux. En tirant parti de la soudure à l'arc électrique comme source de fusion économique, associée à une mécanique d'alimentation continue en fil, la WAAM facilite la fabrication additive numérique. la fabrication métallique dans l'art de pièces à grande échelle avec une efficacité des matériaux et des taux de dépôt élevés. Malgré les défis inhérents à la chaleur, les recherches en cours dans le monde entier développent activement les capacités du WAAM grâce à l'optimisation du traitement, à de nouveaux alliages et à l'intégration de techniques hybrides. Avec des inconvénients résolus et des contrôles de processus affinés, le WAAM est bien placé pour réaliser ses contributions à la fabrication métallique numérique et à haut rendement dans tous les secteurs industriels à l'avenir.

FAQs :

Q. Que signifie WAAM ?

A. WAAM signifie Wire Arc Additive Manufacturing (fabrication additive par arc électrique). Il s'agit d'un type de fabrication additive qui utilise un arc électrique comme source d'intensité pour entrelacer des fils métalliques et construire des pièces couche par couche. Le segment circulaire est généralement créé par soudage à l'arc sous gaz métallique (GMAW) ou par soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) tout en continuant à manipuler un fil métallique. Cette méthode prend en considération l'impression 3D de pièces métalliques soigneusement déterminée.

Q. Comment fonctionne le WAAM ?

A. Dans le procédé WAAM, une torche de soudage est utilisée pour produire un arc électrique entre l'extrémité du fil d'alimentation et le substrat ou la plaque de base. Lorsque l'arc fait fondre le fil d'alimentation, les gouttelettes se transfèrent pour former un cordon de soudure. Ce cordon est déposé sur le substrat pour former la première couche. La torche de soudage est ensuite repositionnée en fonction de la planification du parcours d'outil du logiciel pour déposer des cordons de soudure et des couches successives afin de construire progressivement la pièce avec la forme et les dimensions souhaitées selon les données du modèle 3D d'entrée. Un gaz de protection inerte protège l'arc et le métal en fusion de toute contamination pendant le dépôt.

Q. Quels sont les matériaux qui peuvent être utilisés dans les WAAM ?

A. Les matériaux normaux utilisés dans la fabrication additive par arc électrique comprennent les composés d'acier tels que les aciers trempés et préparés pour les appareils, les superalliages tels que l'Inconel et l'Hastelloy pour les applications aéronautiques, les amalgames d'aluminium pour l'automobile et la marine, le titane et ses combinaisons pour les inserts cliniques et l'aviation, ainsi que les composites de magnésium réactifs qui suscitent de plus en plus d'intérêt en raison de leurs propriétés de haute solidarité par rapport au poids. Le nouvel examen porte également sur les composites à base de nickel et de magnésium fabriqués à l'aide du WAAM.

Q. Quels sont les secteurs d'activité qui utilisent le WAAM ?

A. Les principaux secteurs industriels utilisant les technologies WAAM sont l'aérospatiale, pour la fabrication de composants de moteurs d'avion nécessitant une résistance aux températures élevées ; l'automobile, pour la fabrication de turbocompresseurs, de blocs moteurs, etc. ; la marine, pour les applications de construction navale ; la production d'énergie, pour la fabrication de turbines, de pipelines et de réacteurs ; la fabrication d'équipements industriels ; et le secteur médical/dentaire, car le titane et l'acier inoxydable sont largement utilisés pour les implants, les échafaudages et les prothèses.

Q. Quels sont les défis abordés dans le cadre de la WAAM ?

A. La recherche vise à minimiser les problèmes liés aux apports de chaleur élevés pendant le WAAM, tels que les contraintes résiduelles, les microstructures hétérogènes et les défauts. Cela implique d'optimiser les paramètres du processus tels que les courants, les vitesses, les temps de refroidissement ; de développer des contrôles adaptatifs ; de concevoir des techniques hybrides combinant des processus additifs et soustractifs ; d'employer des traitements post-dépôt tels que des traitements thermiques ; un contrôle non destructif et bien plus encore. L'objectif est de produire des pièces métalliques de grande taille cohérentes et de haute qualité grâce au WAAM.

Partager cet article

Prêt à élever votre projet ?

Donnez vie à vos projets avec MXY Machining

Faites l'expérience de l'ingénierie de précision avec MXY Machining. Des prototypes détaillés à la production en grande série, nous sommes là pour transformer vos concepts en réalité. Contactez-nous dès aujourd'hui pour discuter des besoins de votre projet !

Articles et réflexions connexes

Améliorez vos connaissances et restez informé grâce à notre collection complète d'articles et de posts. Chaque article est soigneusement sélectionné pour correspondre à vos intérêts spécifiques, offrant des idées et des mises à jour qui répondent aux besoins de votre secteur.

fr_FRFrançais
Remplissez ce formulaire détaillé