Explorando a manufatura aditiva por arco de arame (WAAM): Inovações na fabricação de metais

Este documento abrange uma exploração abrangente da manufatura aditiva por arco de arame (WAAM), começando com uma introdução que descreve seus benefícios e tendências de interesse global. A História e Evolução do WAAM discute suas origens e marcos significativos no desenvolvimento. A seção sobre a tecnologia WAAM investiga os processos fundamentais, incluindo GMAW, GTAW e inovações como Cold Metal Transfer. Em seguida, Métodos de Soldagem fornece uma análise comparativa de várias técnicas de soldagem, enquanto Desenvolvimentos em WAAM destaca avanços como a soldagem em tandem e a integração de fresamento.

A seção Additive Metal Fabrication examina a abordagem de fabricação camada por camada, a flexibilidade do projeto e a eficiência do material. A seção Integração CAD/CAM explica a função dos dados CAD, e a seção Faixa de aplicação de materiais descreve os tipos de metais e ligas especiais usados. A seção Challenges in WAAM aborda os parâmetros do processo e as técnicas de atenuação para melhorar a qualidade. A seção Materials and Applications abrange os recursos de ligas e usos específicos do setor, enquanto a seção Research Trends and Future Outlook discute as pesquisas em andamento e o potencial de fabricação em escala industrial.

Fabricação de metais aditivos: Explorando a manufatura aditiva por arco de arame (WAAM)

A manufatura aditiva por arco de arame (WAAM) é uma tecnologia imaginativa de fabricação de metais. Impressão 3D que usa uma curva elétrica como fonte de energia e fio metálico como matéria-prima de substância natural. Ao gravar o material do fio líquido camada por camada por meio do testemunho da substância adicionada, a WAAM possibilita a criação básica de peças metálicas complicadas. Em comparação com outros métodos de fabricação de metal aditivo, como a fusão de leito de pó a laser, a WAAM oferece vantagens significativas, como taxas de deposição mais altas, custos mais baixos de equipamento e material e aplicabilidade para fabricação em larga escala. No entanto, as altas entradas de calor durante o processo WAAM levam a desafios na obtenção das microestruturas, propriedades mecânicas e garantia de qualidade desejadas. Os problemas surgem devido a tensões residuais, propriedades heterogêneas e defeitos.

No entanto, os refinamentos contínuos por meio da otimização de parâmetros, do monitoramento durante o processo e dos tratamentos pós-deposição estão ajudando a resolver essas limitações. Um exame dos padrões de pesquisa do Google fornece informações fascinantes sobre o interesse crescente na inovação da manufatura aditiva por arco elétrico em geral nos últimos tempos. Uma pesquisa dos padrões mundiais de busca, iniciada por volta de 2015, mostra que as buscas por "WAAM" começaram a ganhar velocidade por volta de 2018 e têm se expandido consistentemente a partir desse ponto. Em termos regionais, países europeus como o Reino Unido e a Alemanha, além da Austrália e da Nova Zelândia, registraram os maiores volumes de pesquisa para tópicos relacionados ao WAAM.

Isso corresponde a pesquisas significativas sobre WAAM que estão ocorrendo nessas regiões. É interessante notar que as nações africanas também estão apresentando um aumento nas pesquisas de manufatura aditiva por arco de arame, provavelmente refletindo o interesse em adotar tecnologias mais acessíveis. impressão 3D em metal métodos. As pesquisas de países asiáticos permanecem moderadas atualmente, mas espera-se que aumentem nos próximos anos à medida que as aplicações de WAAM se expandem. De modo geral, as tendências crescentes de pesquisa destacam a importância do WAAM como um processo de fabricação avançado que está ganhando maior reconhecimento globalmente entre as comunidades industriais e acadêmicas.

História e evolução do WAAM

A manufatura aditiva por arco de arame tem suas origens nas técnicas de soldagem por arco desenvolvidas no início do século XX. A pesquisa e o desenvolvimento iniciais se concentraram na utilização de métodos de soldagem a arco para aplicações de impressão 3D em pequena escala. Os avanços posteriores possibilitaram taxas de deposição mais altas e recursos para a fabricação em nível de produção. Os principais marcos incluíram o desenvolvimento da soldagem a arco de metal a gás (GMAW) em 1948, aplicações bem-sucedidas de soldagem de formas em 1983 e patentes iniciais registradas para fabricação baseada em manufatura aditiva de arco de arame na década de 1990.

A pesquisa contínua levou a desenvolvimentos como a soldagem em tandem para aumentar as taxas de deposição, a soldagem por transferência de metal a frio (CMT) para reduzir os aportes de calor e aperfeiçoamentos no monitoramento de processos. Abordagens híbridas que combinam WAAM com fresamento também surgiram para melhorar a qualidade da superfície. Na última década, interesses industriais e acadêmicos mais amplos aceleraram os esforços mundiais de P&D para concretizar todo o potencial da manufatura aditiva por arco elétrico para fabricação de chapas metálicas. Atualmente, as extensas atividades de pesquisa estão concentradas em enfrentar os desafios relacionados à qualidade da peça final e à repetibilidade do desempenho.

Tecnologia WAAM

A manufatura aditiva por arco de arame utiliza a soldagem por arco elétrico como fonte de calor para facilitar a Impressão 3D em prototipagem de componentes metálicos camada por camada. Dois processos principais usados para produzir a dobra são a soldagem a arco circular de gás metálico (GMAW) e a soldagem a arco de gás tungstênio (GTAW). Na GMAW, o cátodo de um arame consumível é tratado por meio de uma luz de soldagem que produz uma curva entre o arame e o material de base para formar um banho de solda.

O arco derrete o arame e ocorre a transferência para depositar o material no substrato. O GMAW oferece alta eficiência energética, mas tem desafios para manter a estabilidade do processo. No sistema GTAW, um eletrodo de tungstênio não consumível é usado junto com um mecanismo de alimentação de arame separado para introduzir o metal de enchimento na poça de solda. Ele oferece melhor controle de movimento em comparação com o GMAW e minimiza os respingos. No entanto, o GTAW tem menor eficiência energética, pois depende de aquecimento resistivo em vez de fusão direta usando um eletrodo consumível.

Uma versão modificada, chamada GMAW de transferência de metal a frio (CMT), está ganhando popularidade, pois consegue reduzir o aporte de calor e obter uma deposição quase sem respingos por meio de mecanismos de curto-circuito. Além dos sistemas de arame único, as abordagens de soldagem em tandem, como o GMAW de arame duplo, aumentam a taxa de deposição usando dois arames consumíveis paralelos. Outras variantes incluem sistemas híbridos que integram a manufatura aditiva de arco de arame com a fresagem de controle numérico computadorizado para realizar a manufatura aditiva e os processos subtrativos em uma configuração combinada para melhor acabamentos de superfície.

Métodos de soldagem

Os sistemas de manufatura aditiva por arco de arame usam a soldagem por arco de metal a gás (GMAW), a soldagem por arco de tungstênio a gás (GTAW) ou a soldagem por arco de plasma (PAW) como fontes de calor para derreter a matéria-prima do arame. Os sistemas GMAW empregam um fio de eletrodo consumível, enquanto o GTAW e o PAW dependem de eletrodos não consumíveis e alimentadores de arame separados. Cada técnica influencia as características de deposição de forma diferente com base nas entradas de calor.

Desenvolvimentos

Além dos sistemas convencionais de fio único, soldagem por feixe de elétrons O emprego simultâneo de consumíveis de fio duplo permite a engenharia de misturas de composição desejadas ou gradientes funcionais dentro das peças. A hibridização com fresamento também foi integrada a algumas unidades WAAM, visando melhores acabamentos de superfície por meio da usinagem on-line de camadas impressas). A fonte de calor, o modo de fornecimento de arame, as atmosferas de proteção e outros parâmetros de controle continuam sendo variáveis ativamente pesquisadas.

Fabricação de metais aditivos

A manufatura aditiva por arco de arame (WAAM) trabalha com a fabricação computadorizada direta de peças metálicas por meio da aplicação camada por camada de fios de metal líquido. Essa perspectiva granular impulsionada por modelos de plano (projeto auxiliado por computador) em três camadas (3D) suportados por PC permite o desenvolvimento de peças com cálculos complexos impraticáveis com estratégias de montagem habituais. Em vez de restrições decorrentes dos limites de acessibilidade da ferramenta em processos subtrativos, o WAAM aproveita o controle de movimento avançado e os sistemas de soldagem a arco para construir estruturas definidas puramente por modelos virtuais.

Ao liberar a fabricação das dependências de moldes e ferramentas, o WAAM aumenta a flexibilidade do projeto e permite a produção em série sob demanda de variantes personalizadas de baixo volume. Isso é adequado para a produção de protótipos, substituindo a fundição de investimento baseada em padrões. O WAAM também se presta à fabricação rápida de peças de reposição ou reparo, evitando os longos prazos de entrega das técnicas convencionais. Com a utilização quase completa do material em comparação com os métodos de remoção de material, a manufatura aditiva por arco de arame proporciona uma economia significativa de material e reduz a geração de resíduos.

Integração CAD/CAM

Por meio da adição camada por camada de fios soldados, a manufatura aditiva de arco de arame permite a impressão 3D de metal de estruturas com complexidade geométrica inatingível por meio da utilização de meios subtrativos CAD/CAM dados.

Faixa de aplicação do material

O WAAM amplia o escopo dos metais usados na fabricação de aditivos, desde ligas estruturais até metais reativos. As ligas relevantes incluem aços estruturais, superligas, magnésio reativo, bem como metais refratários devido à alta intensidade de energia do arco elétrico. As composições de enchimento especiais também podem obter misturas mecânicas, químicas ou físicas personalizadas durante a deposição por meio de estratégias simultâneas de vários fios.

Desafios do WAAM

Parâmetros do processo

Os problemas surgem das entradas de calor durante a manufatura aditiva por arco de arame, como tensões residuais, variações microestruturais e defeitos. A qualidade depende do controle dos parâmetros. A qualidade do depósito depende sensivelmente do ajuste dos parâmetros para reduzir os efeitos indesejáveis, como manter as propriedades estáveis do arco e gerenciar as temperaturas entre camadas por meio de correntes de soldagem, tensões, velocidades e intervalos de proteção/resfriamento otimizados.

Técnicas de mitigação

As abordagens para resolver os problemas envolvem a redução dos aportes de calor, processos entre passes, tratamentos térmicos e monitoramento da qualidade. A otimização dos parâmetros tem se concentrado na redução dos aportes térmicos por meio da soldagem CMT ou de velocidades de soldagem mais altas para refinar os grãos por meio do aumento das taxas de resfriamento. Outras abordagens envolvem intervalos de resfriamento entre passes, laminação/forjamento entre camadas e pós fabricação de metais para arquitetura tratamentos térmicos. O revestimento controlado de várias passagens também trata das tensões residuais. Os avanços no monitoramento de processos e no controle de qualidade ajudam ainda mais na repetição da fabricação.

Materiais e aplicações

Capacidades de ligas

A manufatura aditiva por arco de arame permite um amplo espectro de ligas para aplicações estruturais e funcionais. Opções comuns de materiais para técnicas de fabricação de metais O titânio é amplamente utilizado em aplicações biomédicas e marítimas, aproveitando sua vantagem de resistência à corrosão e resistência à densidade. O titânio encontra amplo emprego em aplicações biomédicas e marítimas, aproveitando sua resistência à corrosão e sua vantagem de resistência à densidade.

Uso no setor

O setor aeroespacial utiliza o WAAM para fabricar componentes complexos de motores, câmaras de combustão e aerofólios de turbina. As aplicações automotivas incluem trocadores de calor, turbocompressores e estruturas leves de veículos. No setor marítimo, a WAAM agiliza a construção naval por meio da impressão direta de anteparas, reforços e outras peças do casco. A área médica também explora implantes personalizados, andaimes e próteses usando titânio biocompatível e aços inoxidáveis.

Tendências de pesquisa e perspectivas futuras

Áreas de pesquisa em andamento

As áreas ativas da pesquisa de manufatura aditiva por arco de arame concentram-se em desenvolvimentos adicionais de ligas/processos, controle de qualidade, técnicas híbridas e otimização baseada em simulação. Os desenvolvimentos se concentram no refinamento das combinações de metal-processo, na criação de controles adaptativos, nas técnicas de hibridização e na modelagem digital. Os estudos têm como estratégia a otimização de parâmetros como frequências de pulsação e formas de onda, otimização de multicamadas, pós-tratamentos mecânicos e união de materiais diferentes.

Potencial futuro

O crescimento futuro exige demonstrações para a fabricação em série de forma confiável em escalas industriais. A expansão das bibliotecas de materiais, a certificação para domínios regulamentados e os esforços de padronização reforçariam ainda mais sua aceitabilidade. Com investimentos comprometidos em pesquisa, a manufatura aditiva de arco de arame mostra um forte potencial para amadurecer e se tornar uma plataforma de manufatura convencional, rivalizando e substituindo a estampagem tradicional de matriz fechada ou a fundição em escala real.

Conclusão

Em conclusão, a manufatura aditiva por arco elétrico surgiu como uma metodologia robusta de fabricação aditiva para metais. Ao aproveitar a soldagem por arco elétrico como uma fonte de fusão econômica, juntamente com a mecânica de alimentação contínua de arame, a WAAM facilita a fabricação digital de metais. fabricação de metais na arte de peças em larga escala com alta eficiência de material e taxas de deposição. Apesar dos desafios inerentes ao calor enfrentados, as pesquisas em andamento em todo o mundo estão expandindo ativamente os recursos do WAAM por meio de processamento otimizado, novas ligas e integração de técnicas híbridas. Com as desvantagens resolvidas e os controles de processo refinados, a WAAM está bem posicionada para realizar suas contribuições para a fabricação digital e de alta eficiência de metais em todos os setores industriais no futuro.

Perguntas frequentes:

Q. O que significa WAAM?

A. WAAM significa Wire Arc Additive Manufacturing (Manufatura Aditiva por Arco de Arame). Um tipo de fabricação de substância adicionada usa uma curva elétrica como fonte de intensidade para entrelaçar a matéria-prima de fio metálico e construir peças camada por camada. O segmento circular é normalmente criado por meio de soldagem a arco de metal a gás (GMAW) ou soldagem a arco de tungstênio a gás (GTAW), enquanto o senhor cuida persistentemente de um fio de metal. Isso leva em consideração a impressão 3D cuidadosamente determinada de peças de metal.

Q. Como o WAAM funciona?

A. No processo WAAM, uma tocha de soldagem é usada para produzir um arco elétrico entre a ponta do arame de alimentação e o substrato ou a placa de base. À medida que o arco derrete o arame alimentado, as gotículas são transferidas para formar um cordão de solda. Esse cordão é depositado no substrato para formar a primeira camada. Em seguida, a tocha de soldagem é reposicionada com base no planejamento do caminho da ferramenta do software para depositar sucessivos cordões de solda e camadas para construir gradualmente a peça com a forma e as dimensões desejadas, de acordo com os dados do modelo 3D de entrada. Um gás de proteção inerte protege o arco e o metal fundido da contaminação durante a deposição.

Q. Quais materiais podem ser usados no WAAM?

A. Os materiais normais utilizados na manufatura aditiva de arco de arame incorporam compostos de aço, como aços temperados e preparados para aparelhos; superligas como Inconel e Hastelloy para aplicações na aviação; amálgamas de alumínio para as áreas automotiva e marítima; titânio e suas combinações para inserções clínicas e aviação; e compostos de magnésio responsivos que estão despertando interesse por suas propriedades de alta solidariedade em relação ao peso. Além disso, o novo exame analisa os compostos à base de níquel e magnésio fabricados com WAAM.

Q. Quais setores utilizam o WAAM?

A. Os principais setores industriais que utilizam as tecnologias WAAM incluem o aeroespacial, para a fabricação de componentes de motores de aeronaves que exigem resistência a altas temperaturas; o automotivo, para a fabricação de turbocompressores, blocos de motores etc.; o marítimo, para aplicações de construção naval; a produção de energia, para a fabricação de turbinas, tubulações e reatores; a fabricação de equipamentos industriais; e o médico/odontológico, já que o titânio e o aço inoxidável são amplamente utilizados em implantes, andaimes e próteses.

Q. Quais desafios estão sendo abordados no WAAM?

A. A pesquisa visa a minimizar os problemas decorrentes de altas entradas de calor durante o WAAM, como tensões residuais, microestruturas heterogêneas e defeitos. Isso envolve a otimização dos parâmetros do processo, como correntes, velocidades e tempos de resfriamento; o desenvolvimento de controles adaptativos; a criação de técnicas híbridas que combinem processos aditivos e subtrativos; o emprego de tratamentos pós-deposição, como tratamentos térmicos; o monitoramento não destrutivo e muito mais. O objetivo é produzir peças metálicas grandes consistentes e de alta qualidade por meio do WAAM.