Исследование аддитивного производства с использованием проволочной дуги (WAAM): Инновации в изготовлении металлических изделий

Этот документ всесторонне исследует Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), начиная с введения, в котором описываются его преимущества и глобальные тенденции интереса. В разделе "История и эволюция WAAM" рассказывается о его происхождении и значительных вехах в развитии. В разделе "Технология WAAM" рассматриваются основные процессы, включая GMAW, GTAW и такие инновации, как холодный перенос металла. Далее в разделе "Методы сварки" приводится сравнительный анализ различных технологий сварки, а в разделе "Разработки в области WAAM" освещаются такие достижения, как тандемная сварка и интеграция фрезерования.

В разделе "Аддитивное изготовление металлов" рассматривается послойный подход к производству, гибкость дизайна и эффективность использования материалов. Раздел "Интеграция CAD/CAM" объясняет роль данных САПР, а раздел "Диапазон применения материалов" описывает типы используемых металлов и специальных сплавов. В разделе "Проблемы в WAAM" рассматриваются параметры процесса и методы смягчения последствий для улучшения качества. Раздел "Материалы и применение" рассказывает о возможностях сплавов и их использовании в конкретных отраслях, а в разделе "Тенденции исследований и перспективы" обсуждаются текущие исследования и потенциал производства в промышленных масштабах.

Аддитивное изготовление металлов: Изучение аддитивного производства с использованием проволочной дуги (WAAM)

Проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) - это фантазийное производство металла. 3D-печать Стратегия, использующая электрическую кривую в качестве источника энергии и металлическую проволоку в качестве исходного сырья. Сохраняя жидкий проволочный материал слой за слоем за счет добавляемого вещества, WAAM позволяет создавать сложные металлические детали на базовой основе. По сравнению с другими аддитивными методами изготовления металлов, такими как лазерное сплавление в порошковом слое, WAAM обладает значительными преимуществами, такими как более высокая скорость осаждения, более низкие затраты на оборудование и материалы, а также применимость для крупномасштабного производства. Однако высокие тепловые затраты в процессе WAAM приводят к проблемам в достижении желаемых микроструктур, механических свойств и обеспечении качества. Проблемы возникают из-за остаточных напряжений, неоднородных свойств и дефектов.

Тем не менее, постоянные усовершенствования за счет оптимизации параметров, контроля в процессе и пост-осадительной обработки помогают устранить эти ограничения. Изучение поисковых запросов в Google дает увлекательные сведения о том, как в последнее время развивается интерес к инновациям в области аддитивного производства с использованием проволочной дуги. Исследование поисковых запросов по всему миру, начиная с 2015 года, показывает, что поиск "WAAM" начал набирать обороты примерно в 2018 году и с тех пор постоянно расширяется. В региональном разрезе наибольшие объемы поиска по теме WAAM наблюдаются в таких европейских странах, как Великобритания и Германия, а также в Австралии и Новой Зеландии.

Это соответствует значительным исследованиям в области WAAM, проводимым в этих регионах. Интересно, что в африканских странах также наблюдается рост числа запросов на аддитивное производство с использованием проволочной дуги, что, вероятно, отражает интерес к освоению более доступных технологий. металлическая 3D-печать Методы. Поиски в азиатских странах в настоящее время остаются умеренными, но в ближайшие годы ожидается их рост по мере расширения сфер применения WAAM. В целом, тенденции роста поисковых запросов подчеркивают важность WAAM как передового производственного процесса, получающего все большее признание во всем мире как среди промышленных, так и научных кругов.

История и эволюция WAAM

Проволочно-дуговое аддитивное производство берет свое начало от технологий дуговой сварки, разработанных в начале 20-го века. Первоначальные исследования и разработки были направлены на использование методов дуговой сварки для маломасштабных приложений 3D-печати. Более поздние усовершенствования позволили увеличить скорость осаждения и расширить возможности производства. К основным вехам относятся разработка газовой дуговой сварки металлов (GMAW) в 1948 году, успешное применение фигурной сварки в 1983 году и первые патенты, поданные на производство на основе проволочно-дуговой аддитивной технологии в 1990-х годах.

Продолжение исследований привело к появлению таких разработок, как тандемная сварка для повышения скорости осаждения, сварка с холодным переносом металла (CMT) для снижения тепловыделения и усовершенствования контроля процесса. Также появились гибридные подходы, объединяющие WAAM с фрезерованием для улучшения качества поверхности. В последнее десятилетие более широкие промышленные и академические интересы ускорили мировые исследования и разработки, направленные на реализацию всего потенциала проволочно-дугового присадочного производства для Изготовление листового металла. В настоящее время обширная исследовательская деятельность направлена на решение проблем, связанных с качеством конечных деталей и повторяемостью характеристик.

Технология WAAM

Проволочно-дуговое аддитивное производство использует электродуговую сварку в качестве источника тепла для облегчения 3D-печать в прототипировании металлических компонентов слой за слоем. Два основных процесса, используемых для получения изгиба, - это газовая дуговая сварка металлическим кругом (GMAW) и газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTAW). При GMAW катод расходуемой проволоки проходит через сварочную лампу, которая создает изгиб между проволокой и основным материалом для образования сварочной ванны.

Дуга расплавляет проволоку, и происходит перенос для нанесения материала на подложку. GMAW обеспечивает высокую энергоэффективность, но имеет проблемы с поддержанием стабильности процесса. В системе GTAW используется нерасходуемый вольфрамовый электрод, а также отдельный механизм подачи проволоки для введения присадочного металла в сварочную ванну. Она обеспечивает лучший контроль движения по сравнению с GMAW и минимизирует разбрызгивание. Однако GTAW имеет более низкую энергоэффективность, поскольку в ней используется резистивный нагрев, а не прямое плавление с помощью расходуемого электрода.

Модифицированная версия, называемая холодным переносом металла (ХПМ) GMAW, набирает популярность, так как в ней достигается снижение тепловыделения и почти полное отсутствие брызг благодаря механизмам короткого замыкания. Помимо однопроволочных систем, тандемные подходы к сварке, такие как двухпроволочная GMAW, повышают скорость осаждения за счет использования двух параллельных расходуемых проволок. Другие варианты включают гибридные системы, которые объединяют дуговое присадочное производство с фрезерованием с компьютерным числовым управлением для выполнения присадочного и субтрактивного процессов в одной установке для более эффективного отделка поверхности.

Методы сварки

Системы проволочно-дугового присадочного производства используют либо газовую дуговую сварку металлов (GMAW), либо газовую дуговую сварку вольфрамовым электродом (GTAW), либо плазменную дуговую сварку (PAW) в качестве источников тепла для расплавления исходной проволоки. В системах GMAW используется расходуемая электродная проволока, в то время как в системах GTAW и PAW применяются нерасходуемые электроды и отдельные устройства подачи проволоки. Каждая технология по-разному влияет на характеристики осаждения в зависимости от подводимого тепла.

Разработки

По сравнению с обычными однопроводными системами, электронно-лучевая сварка Одновременное использование двухпроволочных расходных материалов позволяет создавать желаемые смеси составов или функциональные градиенты внутри деталей. Гибридизация с фрезерованием также интегрирована в некоторые установки WAAM, направленная на улучшение качества поверхности за счет онлайн-обработки печатных слоев). Источник тепла, способ подачи проволоки, защитная атмосфера и другие параметры управления остаются активно исследуемыми переменными.

Аддитивное изготовление металлов

Проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) работает с прямым компьютеризированным изготовлением металлических деталей путем послойной укладки проволоки из жидкого металла. Такая гранулярная перспектива, определяемая трехслойными (3D) моделями, поддерживаемыми ПК, позволяет создавать детали со сложными расчетами, непрактичными при обычных стратегиях сборки. Вместо ограничений, возникающих из-за пределов доступности инструмента в субтрактивных процессах, WAAM использует передовые системы управления движением и дуговой сварки для создания конструкций, определяемых исключительно виртуальными моделями.

Освобождая производство от зависимости от формовки и оснастки, WAAM повышает гибкость дизайна и позволяет производить по требованию серийные варианты небольших объемов. Это хорошо подходит для производства прототипов, заменяя литье по выплавляемым моделям. WAAM также позволяет быстро изготавливать сменные или ремонтные детали, избегая длительных сроков изготовления, характерных для традиционных технологий. Благодаря практически полному использованию материала по сравнению с методами удаления материала, аддитивное производство с использованием проволочной дуги обеспечивает значительную экономию материала и уменьшение образования отходов.

Интеграция CAD/CAM

Благодаря послойному добавлению сваренных проволок, проволочно-дуговое аддитивное производство позволяет печатать металлические 3D-структуры с геометрической сложностью, недостижимой с помощью субтрактивных методов. CAD/CAM данные.

Диапазон применения материалов

WAAM расширяет спектр металлов, используемых в аддитивном производстве, от конструкционных сплавов до реактивных металлов. К соответствующим сплавам относятся конструкционные стали, суперсплавы, реактивный магний, а также тугоплавкие металлы из-за высокой интенсивности энергии электрической дуги. Специальные композиции наполнителей также позволяют получить индивидуальные механические, химические или физические смеси во время осаждения благодаря одновременным многопроволочным стратегиям.

Проблемы в WAAM

Параметры процесса

В процессе аддитивного производства с использованием проволочной дуги возникают такие проблемы, как остаточные напряжения, микроструктурные изменения и дефекты. Качество зависит от контроля параметров. Качество отложений зависит от настройки параметров, чтобы уменьшить нежелательные эффекты, например, поддерживать стабильные свойства дуги и управлять межслойными температурами с помощью оптимизированных сварочных токов, напряжений, скоростей и интервалов между защитой и охлаждением.

Методы смягчения последствий

Подходы к решению проблем включают в себя снижение теплового воздействия, межпроходные процессы, термообработку и контроль качества. Оптимизация параметров была сосредоточена на снижении теплового воздействия с помощью сварки CMT или более высоких скоростей сварки для измельчения зерен за счет увеличения скорости охлаждения. Другие подходы включают в себя межпроходные интервалы охлаждения, межслойную прокатку/штамповку и постобработку изготовление архитектурных металлоконструкций термической обработки. Контролируемая многопроходная плакировка также устраняет остаточные напряжения. Достижения в области мониторинга процесса и контроля качества способствуют воспроизводимости производства.

Материалы и применение

Возможности сплавов

Аддитивное производство с применением проволочной дуги позволяет использовать широкий спектр сплавов для структурных и функциональных применений. Распространенные варианты материалов для техники изготовления металлических изделий включает в себя нержавеющие стали и суперсплавы, предпочтительные для турбин, самолетов и нефтяного машиностроения. Титан находит широкое применение в биомедицине и морской технике, используя свою коррозионную стойкость и соотношение прочности и плотности.

Использование в промышленности

Аэрокосмическая промышленность использует WAAM для изготовления сложных компонентов двигателей, камер сгорания и аэродинамических крыльев турбин. В автомобильной промышленности применяются теплообменники, турбокомпрессоры и легкие конструкции автомобилей. В морском секторе WAAM упрощает судостроение благодаря прямой печати переборок, ребер жесткости и других деталей корпуса. В области медицины также изучаются индивидуальные имплантаты, строительные леса и протезы с использованием биосовместимых титановых и нержавеющих сталей.

Тенденции исследований и перспективы на будущее

Области текущих исследований

Активные области исследований в области аддитивного производства с использованием проволочной дуги сосредоточены на дальнейших разработках сплавов/процессов, контроле качества, гибридных методах и оптимизации на основе моделирования. Разработки сосредоточены на совершенствовании комбинаций металл/процесс, разработке адаптивных систем управления, гибридных методов и цифрового моделирования. Исследования направлены на оптимизацию таких параметров, как частота и форма импульсов, оптимизация многослойности, Механические последующие процедуры и соединять разнородные материалы.

Потенциал будущего

Будущий рост требует демонстрации серийного производства, надежно обеспечивающего серийное производство в промышленных масштабах. Расширение библиотек материалов, сертификация для регулируемых областей, а также усилия по стандартизации еще больше повысят его приемлемость. При условии целевых инвестиций в исследования аддитивное производство с использованием проволочной дуги демонстрирует большой потенциал для превращения в основную производственную платформу, конкурирующую и заменяющую традиционную штамповку в закрытых формах или полномасштабное литье.

Заключение

В заключение можно сказать, что проволочно-дуговое аддитивное производство стало надежной методикой аддитивного изготовления металлов. Используя электродуговую сварку как экономичный источник плавления в сочетании с механикой непрерывной подачи проволоки, WAAM облегчает цифровое производство. изготовление металлоконструкций в искусстве крупногабаритных деталей с высокой эффективностью использования материала и скоростью осаждения. Несмотря на существующие проблемы, связанные с нагревом, ведущиеся во всем мире исследования активно расширяют возможности WAAM за счет оптимизации обработки, использования новых сплавов и интеграции гибридных технологий. Благодаря устранению недостатков и усовершенствованию контроля над процессом, WAAM имеет все шансы реализовать свой вклад в высокоэффективное и цифровое производство металлов в промышленных секторах в будущем.

Вопросы и ответы:

Q. Что означает WAAM?

A. WAAM расшифровывается как Wire Arc Additive Manufacturing. Этот вид производства с использованием дополнительных веществ использует электрический изгиб в качестве источника интенсивности для переплетения металлической проволоки и послойного создания деталей. Круглый сегмент обычно создается с помощью газовой дуговой сварки металлов (GMAW) или газовой дуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW) при постоянном воздействии на металлическую проволоку. При этом учитывается тщательно продуманная 3D-печать металлических деталей.

Q. Как работает WAAM?

A. В процессе WAAM сварочная горелка используется для создания электрической дуги между наконечником подаваемой проволоки и подложкой или основанием. По мере того, как дуга расплавляет подаваемую проволоку, капли переносятся, образуя сварочный бисер. Эта шайба накладывается на подложку, образуя первый слой. Затем сварочная горелка переставляется на основе программного планирования траектории инструмента для нанесения последовательных сварочных шаров и слоев, чтобы постепенно создать деталь желаемой формы и размеров в соответствии с исходными данными 3D-модели. Инертный защитный газ защищает дугу и расплавленный металл от загрязнения во время осаждения.

Q. Какие материалы можно использовать в WAAM?

A. Обычные материалы, используемые в проволочно-дуговом аддитивном производстве, включают в себя стальные соединения, такие как подготовленные для аппаратов закаленные стали; суперсплавы, такие как инконель и хастеллой, для авиации; алюминиевые амальгамы для автомобильной и морской промышленности; титан и его комбинации для клинических вставных деталей и авиации; а также отзывчивые магниевые композиты, которые приобретают интерес благодаря своим высоким прочностным и весовым характеристикам. В новом исследовании также рассматриваются композиты на основе никеля и магния, изготовленные с использованием WAAM.

Q. В каких отраслях промышленности используется WAAM?

A. Ключевые промышленные отрасли, использующие технологии WAAM, включают аэрокосмическую промышленность для производства компонентов авиационных двигателей, требующих высокой термостойкости; автомобильную промышленность для изготовления турбокомпрессоров, блоков двигателей и т.д.; морскую промышленность для судостроения; энергетику для производства турбин, трубопроводов и реакторов; производство промышленного оборудования; а также медицину/стоматологию, поскольку титан и нержавеющая сталь широко используются для изготовления имплантатов, строительных лесов и протезов.

Q. Какие проблемы решаются в рамках программы WAAM?

A. Исследования направлены на минимизацию проблем, возникающих из-за высоких тепловых нагрузок в процессе WAAM, таких как остаточные напряжения, неоднородные микроструктуры и дефекты. Это включает в себя оптимизацию параметров процесса, таких как токи, скорости, время охлаждения; разработку адаптивных систем управления; разработку гибридных технологий, сочетающих аддитивные и субтрактивные процессы; применение пост-осадительной обработки, такой как термообработка; неразрушающий контроль и многое другое. Цель состоит в том, чтобы производить стабильные и высококачественные крупные металлические детали с помощью WAAM.