Esplorazione della fabbricazione additiva ad arco di filo (WAAM): Innovazioni nella fabbricazione dei metalli

Questo documento offre un'esplorazione completa della fabbricazione additiva ad arco metallico (WAAM), iniziando con un'Introduzione che ne delinea i vantaggi e le tendenze di interesse globale. La Storia e l'Evoluzione del WAAM discute le sue origini e le tappe significative dello sviluppo. La sezione sulla Tecnologia WAAM approfondisce i processi fondamentali, tra cui GMAW, GTAW e innovazioni come il Trasferimento di Metallo a Freddo. In seguito, Metodi di saldatura fornisce un'analisi comparativa delle varie tecniche di saldatura, mentre gli Sviluppi nel WAAM evidenziano progressi come la saldatura in tandem e l'integrazione della fresatura.

La sezione Fabbricazione additiva del metallo esamina l'approccio di produzione strato per strato, la flessibilità del design e l'efficienza dei materiali. L'Integrazione CAD/CAM spiega il ruolo dei dati CAD, mentre la Gamma di applicazione dei materiali delinea i tipi di metalli e leghe speciali utilizzati. La sezione Sfide nel WAAM affronta i parametri di processo e le tecniche di mitigazione per il miglioramento della qualità. Materiali e applicazioni copre le capacità delle leghe e gli usi specifici del settore, mentre Tendenze della ricerca e prospettive future discute le ricerche in corso e il potenziale della produzione su scala industriale.

Fabbricazione additiva del metallo: Esplorare la fabbricazione additiva ad arco di filo (WAAM)

La manifattura additiva ad arco di filo (WAAM) è un'attività fantasiosa di Stampa 3D che utilizza una curva elettrica come fonte di energia e un filo metallico come materia prima naturale. Risparmiando il materiale liquido del filo metallico strato per strato attraverso la testimonianza della sostanza aggiunta, WAAM consente la creazione di base di parti metalliche complicate. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione additiva dei metalli, come la fusione laser a letto di polvere, il WAAM offre vantaggi significativi, come tassi di deposizione più elevati, costi di attrezzature e materiali più bassi e applicabilità per la produzione su larga scala. Tuttavia, gli elevati apporti di calore durante il processo WAAM comportano sfide per il raggiungimento delle microstrutture desiderate, delle proprietà meccaniche e della garanzia di qualità. I problemi sorgono a causa delle tensioni residue, delle proprietà eterogenee e dei difetti.

Tuttavia, i continui perfezionamenti attraverso l'ottimizzazione dei parametri, il monitoraggio durante il processo e i trattamenti post-deposizione stanno aiutando a risolvere tali limitazioni. Un esame dei modelli di ricerca su Google fornisce informazioni affascinanti sullo sviluppo dell'interesse per l'innovazione della produzione additiva ad arco di filo negli ultimi tempi. Un'indagine sui modelli di ricerca a livello mondiale a partire dal 2015 mostra che le ricerche di "WAAM" hanno iniziato a prendere velocità intorno al 2018 e da quel momento in poi sono aumentate costantemente. A livello regionale, i Paesi europei come il Regno Unito e la Germania, oltre all'Australia e alla Nuova Zelanda, hanno registrato i volumi di ricerca più elevati per gli argomenti correlati a WAAM.

Ciò corrisponde a una ricerca WAAM significativa in queste regioni. È interessante notare che anche i Paesi africani stanno registrando un aumento delle ricerche sulla produzione additiva ad arco di filo, che probabilmente riflette l'interesse ad adottare una tecnologia più accessibile. stampa 3D in metallo metodi. Le ricerche dai Paesi asiatici rimangono attualmente moderate, ma si prevede un aumento nei prossimi anni, con l'espansione delle applicazioni WAAM. Nel complesso, i trend di ricerca in aumento evidenziano l'importanza del WAAM come processo di produzione avanzato, che sta ottenendo un riconoscimento più ampio a livello globale, sia tra le comunità industriali che accademiche.

Storia ed evoluzione di WAAM

La fabbricazione additiva ad arco di filo trae le sue origini dalle tecniche di saldatura ad arco sviluppate all'inizio del XX secolo. La ricerca e lo sviluppo iniziali si sono concentrati sull'utilizzo dei metodi di saldatura ad arco per applicazioni di stampa 3D su piccola scala. I progressi successivi hanno permesso di ottenere tassi di deposizione più elevati e capacità di produzione di alto livello. Tra le tappe principali, lo sviluppo della saldatura ad arco con gas metallico (GMAW) nel 1948, le applicazioni di successo della saldatura di forma nel 1983 e i primi brevetti depositati per la produzione additiva basata sulla saldatura ad arco metallico negli anni Novanta.

La ricerca continua ha portato a sviluppi come la saldatura in tandem per migliorare i tassi di deposito, la saldatura a trasferimento di metallo a freddo (CMT) per ridurre l'apporto di calore e il perfezionamento del monitoraggio del processo. Sono emersi anche approcci ibridi che fondono WAAM e fresatura per migliorare la qualità della superficie. Nell'ultimo decennio, interessi industriali e accademici più ampi hanno accelerato gli sforzi di ricerca e sviluppo a livello mondiale per realizzare il pieno potenziale della fabbricazione additiva ad arco di filo per Fabbricazione di lamiere. Attualmente, le attività di ricerca si concentrano sulla risoluzione delle sfide legate alla qualità del pezzo finale e alla ripetibilità delle prestazioni.

Tecnologia WAAM

La fabbricazione additiva ad arco di filo utilizza la saldatura ad arco elettrico come fonte di calore per facilitare l'accesso alla produzione. Stampa 3D nella prototipazione di componenti metallici strato per strato. Due processi principali utilizzati per produrre la piegatura sono la saldatura ad arco circolare di gas metallico (GMAW) e la saldatura ad arco di tungsteno di gas (GTAW). Nella GMAW, un catodo di filo consumabile viene trattato attraverso una luce di saldatura che produce una curva tra il filo e il materiale di base per creare un bagno di saldatura.

L'arco fonde il filo e il trasferimento avviene per depositare il materiale sul substrato. La GMAW offre un'elevata efficienza energetica, ma presenta delle difficoltà nel mantenere la stabilità del processo. Nel sistema GTAW, si utilizza un elettrodo di tungsteno non consumabile e un meccanismo di alimentazione del filo separato per introdurre il metallo di apporto nel bagno di saldatura. Offre un migliore controllo del movimento rispetto al GMAW e riduce al minimo gli spruzzi. Tuttavia, il GTAW ha un'efficienza energetica inferiore, poiché si basa sul riscaldamento resistivo piuttosto che sulla fusione diretta con un elettrodo consumabile.

Una versione modificata, chiamata GMAW a trasferimento di metallo a freddo (CMT), sta guadagnando popolarità in quanto consente di ottenere un apporto termico ridotto e una deposizione quasi priva di schizzi grazie a meccanismi di cortocircuito. Oltre ai sistemi a filo singolo, gli approcci di saldatura in tandem, come la GMAW a doppio filo, migliorano il tasso di deposizione utilizzando due fili consumabili paralleli. Altre varianti includono sistemi ibridi che integrano la produzione additiva ad arco di filo con la fresatura a controllo numerico computerizzato, per realizzare la produzione additiva e i processi sottrattivi in un'impostazione combinata per una migliore finiture superficiali.

Metodi di saldatura

I sistemi di produzione additiva ad arco di filo utilizzano la saldatura ad arco di metallo a gas (GMAW), la saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW) o la saldatura ad arco di plasma (PAW) come fonti di calore per fondere il filo di alimentazione. I sistemi GMAW utilizzano un elettrodo consumabile, mentre GTAW e PAW si basano su elettrodi non consumabili e alimentatori di filo separati. Ogni tecnica influenza le caratteristiche di deposito in modo diverso, in base agli apporti di calore.

Sviluppi

Oltre i sistemi convenzionali a filo singolo, saldatura a fascio di elettroni L'impiego simultaneo di consumabili a doppio filo consente di progettare miscele di composizione desiderate o gradienti funzionali all'interno dei pezzi. L'ibridazione con la fresatura è integrata anche in alcune unità WAAM, con l'obiettivo di migliorare le finiture superficiali attraverso la lavorazione online degli strati stampati). La fonte di calore, la modalità di alimentazione del filo, le atmosfere di schermatura e altri parametri di controllo rimangono variabili attivamente ricercate.

Fabbricazione additiva del metallo

La fabbricazione additiva ad arco di filo (WAAM) lavora con la fabbricazione diretta computerizzata di parti metalliche attraverso la dichiarazione strato per strato di fili di metallo liquido. Questa prospettiva granulare, guidata da modelli di progetto (computer aided design) a tre strati (3D) supportati da PC, consente di sviluppare parti con calcoli complessi, non praticabili con le strategie di assemblaggio abituali. Piuttosto che i vincoli derivanti dai limiti di accessibilità degli utensili nei processi sottrattivi, WAAM sfrutta sistemi avanzati di controllo del movimento e di saldatura ad arco per costruire strutture definite esclusivamente da modelli virtuali.

Liberando la produzione dalle dipendenze dello stampaggio e degli utensili, WAAM aumenta la flessibilità del design e consente la produzione in serie on-demand di varianti personalizzate a basso volume. Si presta bene alla produzione di prototipi, sostituendo la microfusione basata su modelli. WAAM si presta anche alla produzione rapida di parti di ricambio o di riparazione, evitando i lunghi tempi di consegna delle tecniche convenzionali. Con un utilizzo quasi completo del materiale rispetto ai metodi di rimozione del materiale, la produzione additiva ad arco metallico comporta un risparmio significativo di materiale e una riduzione della produzione di rifiuti.

Integrazione CAD/CAM

Grazie all'aggiunta strato per strato di fili saldati, la produzione additiva ad arco di filo consente la stampa 3D in metallo di strutture con una complessità geometrica irraggiungibile con i mezzi sottrattivi, che utilizzano CAD/CAM dati.

Campo di applicazione del materiale

WAAM amplia l'ambito dei metalli utilizzati nella fabbricazione additiva, dalle leghe strutturali ai metalli reattivi. Le leghe rilevanti includono acciai strutturali, superleghe, magnesio reattivo e metalli refrattari, a causa dell'alta intensità energetica dell'arco elettrico. Le composizioni di riempimento speciali possono anche ottenere miscele meccaniche, chimiche o fisiche su misura durante la deposizione, grazie a strategie simultanee a più fili.

Sfide in WAAM

Parametri di processo

Le problematiche derivano dagli apporti di calore durante la produzione additiva ad arco metallico, come le sollecitazioni residue, le variazioni microstrutturali e i difetti. La qualità dipende dal controllo dei parametri. La qualità del deposito dipende in modo sensibile dalla regolazione dei parametri per limitare gli effetti indesiderati, come il mantenimento di proprietà d'arco stabili e la gestione delle temperature interstrato attraverso correnti di saldatura, tensioni, velocità e intervalli di schermatura/raffreddamento ottimizzati.

Tecniche di mitigazione

Gli approcci per affrontare i problemi riguardano la riduzione degli apporti termici, i processi interpass, i trattamenti termici e il monitoraggio della qualità. L'ottimizzazione dei parametri si è concentrata sulla riduzione degli apporti di calore tramite la saldatura CMT o velocità di saldatura più elevate, per affinare i grani attraverso l'aumento delle velocità di raffreddamento. Altri approcci riguardano gli intervalli di raffreddamento tra le passate, la laminazione/forgiatura inter-strato e il post-trattamento termico. fabbricazione di metallo architettonico trattamenti termici. Il placcaggio controllato multi-pass affronta anche le sollecitazioni residue. I progressi nel monitoraggio dei processi e nel controllo di qualità favoriscono ulteriormente la ripetibilità della produzione.

Materiali e applicazioni

Capacità delle leghe

La produzione additiva ad arco di filo facilita un ampio spettro di leghe per applicazioni strutturali e funzionali. Scelte di materiali comuni per tecniche di fabbricazione del metallo comprendono gli acciai inossidabili e le superleghe preferite nelle turbine, negli aerei e nell'ingegneria petrolifera. Il titanio trova ampio impiego nelle applicazioni biomediche e marine, sfruttando la sua resistenza alla corrosione e il suo vantaggio in termini di forza-densità.

Uso del settore

L'industria aerospaziale sfrutta WAAM per la fabbricazione di componenti complessi di motori, camere di combustione e profili di turbine. Le applicazioni automobilistiche includono scambiatori di calore, turbocompressori e strutture leggere dei veicoli. Nel settore navale, WAAM semplifica la costruzione di navi grazie alla stampa diretta di paratie, irrigidimenti e altre parti dello scafo. Anche il settore medico esplora impianti, scaffold e protesi personalizzati utilizzando titanio e acciai inossidabili biocompatibili.

Tendenze della ricerca e prospettive future

Aree di ricerca in corso

Le aree attive della ricerca sulla produzione additiva ad arco metallico si concentrano su ulteriori sviluppi di leghe/processi, controllo della qualità, tecniche ibride e ottimizzazione basata sulla simulazione. Gli sviluppi si concentrano sul perfezionamento delle combinazioni metallo-processo, sull'ideazione di controlli adattivi, sulle tecniche di ibridazione e sulla modellazione digitale. Gli studi strategici ottimizzano parametri come le frequenze di pulsazione e le forme d'onda, l'ottimizzazione multistrato, post-trattamenti meccanici e l'unione di materiali dissimili.

Potenziale futuro

La crescita futura richiede dimostrazioni di produzione seriale affidabile su scala industriale. L'espansione delle librerie di materiali, la certificazione per i settori regolamentati e gli sforzi di standardizzazione rafforzerebbero ulteriormente la sua accettabilità. Con investimenti di ricerca impegnati, la produzione additiva ad arco metallico mostra un forte potenziale per maturare in una piattaforma di produzione mainstream che rivaleggia e sostituisce la tradizionale stampaggio a stampo chiuso o la fusione in scala reale.

Conclusione

In conclusione, la fabbricazione additiva ad arco di filo è emersa come una solida metodologia di fabbricazione additiva per i metalli. Sfruttando la saldatura ad arco elettrico come fonte di fusione economica, abbinata alla meccanica di alimentazione continua del filo, WAAM facilita la fabbricazione digitale. la lavorazione del metallo nell'arte di pezzi di grandi dimensioni con alte efficienze di materiale e tassi di deposizione. Nonostante le sfide intrinseche legate al calore, la ricerca in corso in tutto il mondo sta espandendo attivamente le capacità del WAAM attraverso la lavorazione ottimizzata, le nuove leghe e l'integrazione di tecniche ibride. Con gli inconvenienti affrontati e i controlli di processo perfezionati, il WAAM ha tutte le carte in regola per realizzare in futuro i suoi contributi per la produzione di metallo digitale e ad alta efficienza in tutti i settori industriali.

Domande frequenti:

Q. Qual è il significato di WAAM?

A. WAAM è l'acronimo di Wire Arc Additive Manufacturing. Si tratta di un tipo di fabbricazione di sostanze aggiunte che utilizza una curva elettrica come fonte di intensità per intrecciare il materiale metallico e costruire parti strato per strato. Il segmento circolare viene in genere creato attraverso la saldatura ad arco di metallo a gas (GMAW) o la saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW), mentre si occupa in modo persistente di un filo metallico. Questo prende in considerazione la stampa 3D di parti metalliche accuratamente determinate.

Q. Come funziona WAAM?

A. Nel processo WAAM, si utilizza una torcia di saldatura per produrre un arco elettrico tra la punta del filo di alimentazione e il substrato o la piastra di base. Quando l'arco fonde il filo alimentato, le gocce si trasferiscono per formare un cordone di saldatura. Questo cordone viene depositato sul substrato per formare il primo strato. Poi la torcia di saldatura viene riposizionata in base alla pianificazione del percorso utensile del software per depositare i cordoni di saldatura e gli strati successivi, per costruire gradualmente il pezzo con la forma e le dimensioni desiderate, in base ai dati del modello 3D in ingresso. Un gas di protezione inerte protegge l'arco e il metallo fuso dalla contaminazione durante la deposizione.

Q. Quali materiali possono essere utilizzati in WAAM?

A. I materiali normali utilizzati nella produzione additiva ad arco di filo comprendono composti di acciaio come gli acciai preparati per l'apparecchiatura, temperati; superleghe come Inconel e Hastelloy per le applicazioni aeronautiche; amalgami di alluminio per l'auto e la nautica; titanio e le sue combinazioni per gli inserti clinici e l'aviazione; e compositi di magnesio reattivo che stanno acquisendo interesse per le loro elevate proprietà di solidarietà al peso. Il nuovo esame esamina anche i compositi a base di nichel e magnesio prodotti utilizzando il WAAM.

Q. Quali industrie utilizzano WAAM?

A. I settori industriali chiave che utilizzano le tecnologie WAAM includono l'aerospaziale per la produzione di componenti di motori aeronautici che richiedono una resistenza alle alte temperature; l'automobilistico per la fabbricazione di turbocompressori, blocchi motore, eccetera; il navale per le applicazioni di costruzione navale; la produzione di energia per la fabbricazione di turbine, condutture e reattori; la produzione di attrezzature industriali; e il medico/dentale, in quanto il titanio e l'acciaio inossidabile sono ampiamente utilizzati per impianti, impalcature e protesi.

Q. Quali sfide vengono affrontate in WAAM?

A. La ricerca mira a ridurre al minimo i problemi derivanti dall'elevato apporto di calore durante il WAAM, come le sollecitazioni residue, le microstrutture eterogenee e i difetti. Ciò comporta l'ottimizzazione dei parametri di processo come correnti, velocità, tempi di raffreddamento; lo sviluppo di controlli adattivi; l'ideazione di tecniche ibride che combinino processi additivi e sottrattivi; l'impiego di trattamenti post-deposizione come i trattamenti termici; il monitoraggio non distruttivo e altro ancora. L'obiettivo è produrre parti metalliche di grandi dimensioni coerenti e di alta qualità attraverso il WAAM.