와이어 아크 적층 제조(WAAM) 살펴보기: 금속 제조의 혁신

이 문서에서는 와이어 아크 적층 제조(WAAM)의 장점과 전 세계적인 관심 동향을 개괄적으로 설명하는 서론부터 시작하여 WAAM에 대한 포괄적인 탐색을 다룹니다. WAAM의 역사와 진화에서는 그 기원과 개발의 중요한 이정표에 대해 설명합니다. WAAM 기술 섹션에서는 GMAW, GTAW 및 냉간 금속 이송과 같은 혁신 기술을 포함한 기본 프로세스에 대해 자세히 살펴봅니다. 이어서 용접 방법에서는 다양한 용접 기술을 비교 분석하고, WAAM의 발전에서는 탠덤 용접 및 밀링 통합과 같은 발전된 기술을 강조합니다.

적층 금속 제조 섹션에서는 적층 제조 방식, 설계 유연성 및 재료 효율성에 대해 살펴봅니다. CAD/CAM 통합에서는 CAD 데이터의 역할을 설명하고, 재료 적용 범위에서는 사용되는 금속 및 특수 합금의 유형을 간략하게 설명합니다. WAAM의 과제 섹션에서는 품질 향상을 위한 공정 파라미터와 완화 기술을 다룹니다. 재료 및 응용 분야에서는 합금의 기능과 산업별 용도를 다루고, 연구 동향 및 미래 전망에서는 현재 진행 중인 연구와 산업 규모의 제조 잠재력에 대해 논의합니다.

적층 금속 제조: 와이어 아크 적층 제조(WAAM) 살펴보기

와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 상상력이 풍부한 금속입니다. 3D 프린팅 전기 곡선을 동력원으로, 금속 와이어를 천연 물질 공급 원료로 사용하는 전략입니다. WAAM은 첨가된 물질을 통해 액체 와이어 재료를 층별로 저장함으로써 복잡한 금속 부품의 베이스 업 제작을 가능하게 합니다. 레이저 분말 베드 용융과 같은 다른 적층 금속 제조 방식에 비해 WAAM은 높은 증착률, 낮은 장비 및 재료 비용, 대규모 제조 적용 가능성 등 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 WAAM 공정 중 높은 열 투입으로 인해 원하는 미세 구조, 기계적 특성 및 품질 보증을 달성하는 데 어려움이 있습니다. 잔류 응력, 이질적인 특성 및 결함으로 인해 문제가 발생합니다.

그럼에도 불구하고 파라미터 최적화, 공정 중 모니터링 및 증착 후 처리를 통한 지속적인 개선이 이러한 한계를 해결하는 데 도움이 되고 있습니다. Google 검색 패턴을 살펴보면 최근 와이어 아크 적층 제조 혁신에 대한 관심이 전반적으로 높아지고 있다는 흥미로운 사실을 알 수 있습니다. 2015년경부터 시작된 전 세계 검색 패턴을 조사한 결과, 'WAAM'에 대한 검색이 2018년경부터 증가하기 시작하여 그 이후 지속적으로 확대되고 있는 것으로 나타났습니다. 지역별로는 영국, 독일과 같은 유럽 국가와 호주, 뉴질랜드에서 WAAM 관련 주제에 대한 검색량이 가장 높았습니다.

이는 이 지역에서 WAAM 연구가 활발히 진행되고 있는 것과 일치합니다. 흥미롭게도 아프리카 국가에서도 와이어 아크 적층 제조에 대한 검색이 증가하고 있는데, 이는 보다 합리적인 가격의 적층 제조를 도입하려는 관심을 반영하는 것으로 보입니다. 금속 3D 프린팅 메서드. 현재 아시아 국가에서의 검색은 아직 미미한 수준이지만, WAAM 적용이 확대됨에 따라 향후 몇 년 동안 증가할 것으로 예상됩니다. 전반적으로 검색 증가 추세는 산업계와 학계 모두에서 전 세계적으로 널리 인정받고 있는 첨단 제조 공정으로서 WAAM의 중요성을 강조합니다.

WAAM의 역사와 진화

와이어 아크 적층 제조는 20세기 초에 개발된 아크 용접 기술에서 그 기원을 찾을 수 있습니다. 초기 연구 개발은 소규모 3D 프린팅 응용 분야에 아크 용접 방법을 활용하는 데 중점을 두었습니다. 이후 발전된 기술을 통해 생산 등급 제조를 위한 더 높은 증착 속도와 기능이 가능해졌습니다. 주요 이정표로는 1948년 가스 금속 아크 용접(GMAW)의 개발, 1983년 형상 용접의 성공적인 적용, 1990년대 와이어 아크 적층 제조 기반 제조에 대한 초기 특허 출원 등이 있습니다.

지속적인 연구를 통해 증착 속도 향상을 위한 탠덤 용접, 낮은 열 투입을 위한 냉간 금속 이송(CMT) 용접, 공정 모니터링 개선과 같은 개발이 이루어졌습니다. 표면 품질 개선을 위해 WAAM과 밀링을 융합한 하이브리드 접근 방식도 등장했습니다. 지난 10년 동안 산업계와 학계의 광범위한 관심으로 인해 다음과 같은 와이어 아크 적층 제조의 잠재력을 실현하기 위한 전 세계적인 R&D 노력이 가속화되었습니다. 판금 제작. 현재 광범위한 연구 활동은 최종 부품 품질 및 성능 반복성과 관련된 문제를 해결하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

WAAM 기술

와이어 아크 적층 제조는 전기 아크 용접을 열원으로 사용하여 다음과 같은 작업을 용이하게 합니다. 프로토타이핑의 3D 프린팅 금속 부품을 층층이 쌓아 올립니다. 굽힘을 만드는 데 사용되는 두 가지 주요 공정은 가스 금속 원형 아크 용접(GMAW)과 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)입니다. GMAW에서는 소모품인 와이어 음극을 용접 광선을 통해 처리하여 와이어와 모재 사이에 곡선을 만들어 용접 풀을 만듭니다.

아크가 와이어를 녹이고 이송이 일어나 소재를 기판에 증착합니다. GMAW는 높은 에너지 효율을 제공하지만 공정 안정성을 유지하는 데 어려움이 있습니다. GTAW 시스템에서는 별도의 와이어 공급 메커니즘과 함께 비소모성 텅스텐 전극을 사용하여 필러 금속을 용접 풀에 도입합니다. GMAW에 비해 모션 제어가 우수하고 스패터를 최소화합니다. 그러나 GTAW는 소모성 전극을 사용한 직접 용융이 아닌 저항 가열에 의존하기 때문에 에너지 효율이 낮습니다.

단락 메커니즘을 통해 열 입력을 줄이고 스패터가 거의 없는 증착을 달성하는 수정된 버전인 냉간 금속 이송(CMT) GMAW가 인기를 얻고 있습니다. 단일 와이어 시스템 외에도 트윈 와이어 GMAW와 같은 탠덤 용접 방식은 두 개의 병렬 소모 와이어를 사용하여 증착 속도를 향상시킵니다. 다른 변형으로는 와이어 아크 적층 제조와 컴퓨터 수치 제어 밀링을 통합하여 적층 제조 및 감산 공정을 결합된 설정으로 수행하는 하이브리드 시스템도 있습니다. 표면 마감.

용접 방법

와이어 아크 적층 제조 시스템은 와이어 공급 원료를 녹이는 열원으로 가스 금속 아크 용접(GMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 또는 플라즈마 아크 용접(PAW) 중 하나를 사용합니다. GMAW 시스템은 소모성 전극 와이어를 사용하는 반면, GTAW와 PAW는 비소모성 전극과 별도의 와이어 피더를 사용합니다. 각 기술은 열 입력에 따라 증착 특성에 서로 다른 영향을 미칩니다.

개발

기존의 단일 와이어 시스템을 뛰어넘습니다, 전자빔 용접 이중 와이어 소모품을 동시에 사용하면 부품 내에서 원하는 구성 혼합 또는 기능적 그라데이션을 엔지니어링할 수 있습니다. 밀링과의 하이브리드화도 일부 WAAM 장치에 통합되어 프린트 레이어의 온라인 가공을 통해 더 나은 표면 마감을 목표로 합니다.) 열원, 전선 공급 모드, 차폐 분위기 및 기타 제어 매개 변수는 여전히 활발히 연구되고 있는 변수입니다.

적층 금속 제조

와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 액체 금속 와이어의 레이어별 명세서를 통해 금속 부품을 직접 컴퓨터로 제조하는 방식입니다. 3차원(3D) PC 지원 평면(컴퓨터 지원 설계) 모델을 기반으로 하는 이 세분화된 관점을 통해 일반적인 조립 전략으로는 불가능한 복잡한 계산이 필요한 부품을 개발할 수 있습니다. WAAM은 감산 공정에서 공구 접근성 제한으로 인한 제약 대신 고급 모션 제어 및 아크 용접 시스템을 활용하여 가상 모델로만 정의된 구조물을 제작합니다.

WAAM은 몰딩 및 툴링 의존성에서 제조를 해방시켜 설계 유연성을 높이고 맞춤형 소량 변형을 주문형 대량 생산할 수 있도록 지원합니다. 이는 패턴 기반 인베스트먼트 주조를 대체하는 시제품 생산에 매우 적합합니다. 또한 WAAM은 교체 또는 수리 부품의 신속한 제조에도 적합하여 기존 기술의 긴 리드 타임을 피할 수 있습니다. 와이어 아크 적층 제조는 재료 제거 방식에 비해 재료 활용도가 거의 완벽에 가깝기 때문에 재료를 크게 절약하고 폐기물 발생을 줄일 수 있습니다.

CAD/CAM 통합

와이어 아크 적층 제조는 용접된 와이어를 층별로 추가함으로써 감산 방식으로는 달성할 수 없는 기하학적 복잡성을 가진 구조물의 금속 3D 프린팅을 가능하게 합니다. CAD/CAM 데이터.

재료 적용 범위

WAAM은 구조용 합금에서 반응성 금속에 이르기까지 적층 가공에 사용되는 금속의 범위를 넓혔습니다. 관련 합금에는 구조용 강철, 초합금, 반응성 마그네슘은 물론 전기 아크의 높은 에너지 강도로 인한 내화성 금속이 포함됩니다. 또한 특수 필러 조성물은 동시 멀티 와이어 전략을 통해 증착 중에 맞춤형 기계적, 화학적 또는 물리적 혼합을 달성할 수 있습니다.

WAAM의 과제

프로세스 매개변수

와이어 아크 적층 제조 시 잔류 응력, 미세 구조 변화 및 결함과 같은 열 입력으로 인해 문제가 발생합니다. 품질은 파라미터 제어에 따라 달라집니다. 증착 품질은 최적화된 용접 전류, 전압, 속도 및 차폐/냉각 간격을 통해 안정적인 아크 특성을 유지하고 층간 온도를 관리하는 등 바람직하지 않은 영향을 줄이기 위한 파라미터 조정에 따라 민감하게 달라집니다.

완화 기술

문제를 해결하기 위한 접근 방식에는 열 투입량 감소, 패스 간 공정, 열처리 및 품질 모니터링이 포함됩니다. 매개변수 최적화는 CMT 용접을 통해 열 입력을 낮추거나 용접 속도를 높여 냉각 속도를 높여 입자를 정제하는 데 중점을 두었습니다. 다른 접근 방식에는 패스 간 냉각 간격, 층간 압연/단조 및 포스트 건축용 금속 제작 열처리. 제어된 멀티패스 클래딩은 잔류 응력도 해결합니다. 공정 모니터링 및 품질 관리의 발전은 반복 가능한 제조를 더욱 지원합니다.

재료 및 애플리케이션

합금 기능

와이어 아크 적층 제조는 구조 및 기능적 응용 분야를 위한 광범위한 합금 스펙트럼을 용이하게 합니다. 일반적인 재료 선택 금속 제작 기술 터빈, 항공기 및 석유 공학에서 선호되는 스테인리스강과 초합금과 함께 사용됩니다. 티타늄은 내식성과 강도 대 밀도 이점을 활용하여 생물의학 및 해양 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다.

산업별 사용 현황

항공우주 산업에서는 복잡한 엔진 부품, 연소실 및 터빈 에어포일을 제작하는 데 WAAM을 활용합니다. 자동차 분야에는 열교환기, 터보차저, 경량 차량 구조물 등이 포함됩니다. 해양 분야에서는 격벽, 보강재 및 기타 선체 부품을 직접 프린팅하여 선박 건조를 간소화합니다. 또한 의료 분야에서는 생체 적합성 티타늄과 스테인리스강을 사용하여 맞춤형 임플란트, 발판 및 보철물을 연구하고 있습니다.

연구 동향 및 향후 전망

진행 중인 연구 분야

와이어 아크 적층 제조의 활발한 연구 분야는 합금/공정 개발, 품질 관리, 하이브리드 기술 및 시뮬레이션 기반 최적화에 중점을 두고 있습니다. 금속-공정 조합 개선, 적응형 제어 고안, 하이브리드 기술 및 디지털 모델링을 중심으로 개발이 이루어집니다. 펄싱 주파수 및 파형, 다층 최적화와 같은 파라미터를 최적화하는 전략을 연구합니다, 기계적 후처리 서로 다른 재료를 결합합니다.

미래 잠재력

향후 성장을 위해서는 산업 규모에서 연속적으로 안정적으로 제조할 수 있는 실증이 필요합니다. 재료 라이브러리 확장, 규제 영역에 대한 인증, 표준화 노력으로 수용성을 더욱 강화할 수 있습니다. 지속적인 연구 투자를 통해 와이어 아크 적층 제조는 기존의 폐쇄형 다이 스탬핑 또는 풀스케일 주조와 경쟁하고 이를 대체하는 주류 제조 플랫폼으로 발전할 가능성이 매우 높습니다.

결론

결론적으로, 와이어 아크 적층 제조는 금속을 위한 강력한 적층 제조 방법론으로 부상했습니다. 전기 아크 용접을 연속 와이어 공급 메커니즘과 결합된 경제적 융합 소스로 활용함으로써 WAAM은 디지털 예술에서의 금속 가공 높은 재료 효율과 증착률로 대형 부품을 생산할 수 있습니다. 열과 관련된 고유한 문제에도 불구하고 전 세계적으로 진행 중인 연구는 최적화된 공정, 새로운 합금 및 하이브리드 기술 통합을 통해 WAAM 기능을 적극적으로 확장하고 있습니다. 단점을 해결하고 공정 제어를 개선한 WAAM은 향후 산업 분야 전반에 걸쳐 고효율 및 디지털 금속 제조에 기여할 준비가 되어 있습니다.

자주 묻는 질문:

Q. WAAM은 무엇을 의미하나요?

A. WAAM은 와이어 아크 적층 제조의 약자입니다. 일종의 적층 가공은 전기적 굽힘을 강도 소스로 사용하여 금속 와이어 공급 원료를 얽고 부품을 층별로 구성하는 방식입니다. 원형 세그먼트는 일반적으로 금속 와이어를 지속적으로 관리하면서 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)을 통해 만들어집니다. 이를 위해서는 금속 부품의 3D 프린팅을 신중하게 결정해야 합니다.

Q. WAAM은 어떻게 작동하나요?

A. WAAM 공정에서는 용접 토치를 사용하여 공급 와이어 팁과 기판 또는 베이스 플레이트 사이에 전기 아크를 생성합니다. 아크가 공급 와이어를 녹이면 물방울이 이동하여 용접 비드를 형성합니다. 이 비드가 기판에 증착되어 첫 번째 레이어를 형성합니다. 그런 다음 소프트웨어 공구 경로 계획에 따라 용접 토치의 위치를 변경하여 연속적인 용접 비드와 레이어를 증착하여 입력된 3D 모델 데이터에 따라 원하는 모양과 치수의 부품을 점진적으로 제작합니다. 불활성 차폐 가스는 증착 중에 아크와 용융 금속이 오염되지 않도록 보호합니다.

Q. WAAM에서 사용할 수 있는 재료는 무엇인가요?

A. 와이어 아크 적층 제조에 사용되는 일반적인 재료에는 장치 준비, 강화강과 같은 강철 화합물, 항공 분야용 인코넬 및 하스텔로이와 같은 슈퍼 합금, 자동차 및 해양 분야용 알루미늄 아말감, 임상 삽입물 및 항공용 티타늄과 그 조합, 중량 대비 높은 견고성으로 관심을 받고 있는 반응성 마그네슘 복합재료가 포함됩니다. 새로운 시험에서는 WAAM을 활용하여 제조된 니켈 및 마그네슘 기반 복합재에 대해 추가로 살펴봅니다.

Q. 어떤 산업에서 WAAM을 사용하나요?

A. WAAM 기술을 활용하는 주요 산업 분야로는 고온 내성이 필요한 항공기 엔진 부품 제조를 위한 항공우주, 터보차저, 엔진 블록 등을 제조하는 자동차, 조선 애플리케이션을 위한 해양, 터빈, 파이프라인 및 원자로 제조를 위한 에너지 생산, 산업 장비 제조, 티타늄과 스테인리스강이 임플란트, 발판 및 보철에 널리 사용되는 의료/치과가 있습니다.

Q. WAAM에서는 어떤 문제를 해결하고 있나요?

A. 연구는 잔류 응력, 이질적인 미세 구조 및 결함과 같은 WAAM 중 높은 열 투입으로 인해 발생하는 문제를 최소화하는 것을 목표로 합니다. 여기에는 전류, 속도, 냉각 시간과 같은 공정 파라미터 최적화, 적응형 제어 개발, 첨가제와 감산 공정을 결합한 하이브리드 기술 고안, 열 처리와 같은 증착 후 처리, 비파괴 모니터링 등이 포함됩니다. WAAM을 통해 일관된 고품질의 대형 금속 부품을 생산하는 것이 목표입니다.