探索线弧增材制造（WAAM）：金属制造的创新

本文件全面介绍了线弧快速成型技术（WAAM），首先是导言部分，概述了其优点和全球关注的趋势。WAAM 的历史和演变》讨论了 WAAM 的起源和重要发展里程碑。WAAM 技术部分深入探讨了基本工艺，包括 GMAW、GTAW 以及冷金属转移等创新技术。随后，"焊接方法 "部分对各种焊接技术进行了比较分析，而 "WAAM 的发展 "部分则重点介绍了串联焊接和铣削集成等先进技术。

添加式金属制造部分探讨了逐层制造方法、设计灵活性和材料效率。CAD/CAM 集成》部分解释了 CAD 数据的作用，《材料应用范围》部分概述了所用金属和特种合金的类型。WAAM 面临的挑战 "部分介绍了提高质量的工艺参数和缓解技术。材料与应用》部分介绍了合金的性能和特定行业的用途，而《研究趋势与未来展望》部分则讨论了正在进行的研究以及工业规模制造的潜力。

快速成型金属制造：探索线弧增材制造（WAAM）

线弧快速成型技术（WAAM）是一种富有想象力的金属快速成型技术。 三维打印 WAAM 是一种以电弧为动力源、以金属丝为天然原料的策略。通过添加物质的见证，逐层保存液态金属丝材料，WAAM 能够从基础开始制造复杂的金属零件。与激光粉末床熔融等其他增材制造金属方法相比，WAAM 具有更高的沉积率、更低的设备和材料成本以及适用于大规模制造等显著优势。出现这些问题的原因包括残余应力、异质特性和缺陷。

尽管如此，通过参数优化、过程监控和沉积后处理不断改进的技术正在帮助解决这些局限性。通过对谷歌搜索模式的研究，我们可以发现近来人们对线弧快速成型制造创新的兴趣正在不断增长。对2015年左右开始的全球搜索模式的调查显示，对 "WAAM "的搜索在2018年左右开始加速，并从那时起持续扩大。从地区来看，英国、德国等欧洲国家以及澳大利亚和新西兰的 WAAM 相关主题搜索量最高。

这与这些地区正在进行的大量 WAAM 研究相吻合。有趣的是，非洲国家的线弧快速成型制造搜索量也在上升，这很可能反映了它们对采用更经济实惠的线弧快速成型制造技术的兴趣。 金属三维打印 方法。目前，亚洲国家的搜索量仍然不大，但随着 WAAM 应用的扩大，预计未来几年搜索量将会上升。总之，搜索量的上升趋势凸显了 WAAM 作为一种先进制造工艺的重要性，它在全球工业界和学术界得到了更广泛的认可。

WAAM 的历史和演变

线弧增材制造起源于 20 世纪初开发的电弧焊接技术。最初的研发重点是将电弧焊接方法用于小规模三维打印应用。后来的进步使沉积率和生产级制造能力得以提高。主要的里程碑包括 1948 年气体金属弧焊 (GMAW) 的开发、1983 年形状焊接的成功应用以及 20 世纪 90 年代基于线弧增材制造的初始专利申请。

持续的研究带来了新的发展，如提高沉积率的串联焊接、降低热输入的冷金属转移（CMT）焊接以及工艺监控的改进。为了提高表面质量，还出现了将 WAAM 与铣削相结合的混合方法。在过去的十年中，更广泛的工业和学术兴趣加速了全球范围内的研发工作，以实现线弧快速成型制造在以下方面的全部潜力 钣金加工.目前，广泛的研究活动主要集中在应对与最终零件质量和性能重复性有关的挑战上。

WAAM 技术

线弧快速成型技术利用电弧焊接作为热源，以促进 原型制作中的 3D 打印 逐层焊接金属部件。用于生产弯管的两种主要工艺是气体金属圆弧焊（GMAW）和气体钨极氩弧焊（GTAW）。在气体金属圆弧焊中，焊丝阴极通过焊灯照射，在焊丝和母材之间形成曲线，形成焊池。

电弧熔化金属丝，然后进行转移，将材料沉积到基体上。GMAW 能效高，但在保持工艺稳定性方面存在挑战。在 GTAW 系统中，使用非消耗性钨电极和单独的送丝机构将填充金属引入焊池。与 GMAW 相比，它能提供更好的运动控制，并最大限度地减少飞溅。不过，GTAW 的能效较低，因为它依赖电阻加热，而不是使用易耗电极直接熔化。

一种名为冷金属转移（CMT）GMAW 的改进型焊接方法通过短路机制实现了热输入的减少和几乎无飞溅的沉积，因而越来越受欢迎。除单丝系统外，双丝 GMAW 等串联焊接方法通过使用两根平行的焊丝来提高熔敷率。其他变体包括混合系统，它将线弧快速成型制造与计算机数控铣床结合起来，在一个组合装置中完成快速成型制造和减法工艺，以获得更好的效果。 表面处理.

焊接方法

线弧快速成型制造系统使用金属气体弧焊（GMAW）、钨极气体弧焊（GTAW）或等离子弧焊（PAW）作为热源来熔化线材原料。GMAW 系统采用消耗性电极焊丝，而 GTAW 和 PAW 则依靠非消耗性电极和单独的送丝机。每种技术都会根据输入的热量对沉积特性产生不同的影响。

发展情况

超越传统的单线系统 电子束焊接 同时使用双线耗材可以在部件中设计出所需的混合成分或功能梯度。一些 WAAM 设备还集成了铣削混合功能，通过对印刷层进行在线加工，实现更好的表面光洁度。）热源、线材供应模式、屏蔽气氛和其他控制参数仍是积极研究的变量。

添加式金属制造

线弧增材制造（WAAM）通过液态金属丝的逐层陈述，利用计算机直接制造金属零件。这种由三层（3D）PC 支持的计划（计算机辅助设计）模型驱动的细粒度视角允许开发具有复杂计算的零件，而传统的装配策略是不切实际的。WAAM 不再受减法工艺中工具可及性限制的制约，而是利用先进的运动控制和电弧焊接系统来构建纯粹由虚拟模型定义的结构。

WAAM 使制造摆脱了对成型和模具的依赖，从而提高了设计的灵活性，并可按需批量生产定制的小批量产品。这非常适合原型生产，可替代基于模式的熔模铸造。此外，WAAM 还能快速生产更换或维修零件，避免了传统技术的冗长交货期。与材料去除方法相比，线弧快速成型技术几乎能完全利用材料，因此能显著节省材料并减少废料的产生。

CAD/CAM 集成

通过逐层添加焊接金属丝，线弧线快速成型技术可以利用金属三维打印技术，制造出减法工艺无法实现的几何复杂性结构。 CAD/CAM 数据

材料应用范围

从结构合金到活性金属，WAAM 拓宽了添加式制造中使用的金属范围。相关合金包括结构钢、超级合金、活性镁以及由于电弧高能量强度而产生的难熔金属。在沉积过程中，特种填料成分还可以通过多线同步策略实现定制的机械、化学或物理混合。

世界城市评估方法的挑战

工艺参数

线弧快速成型制造过程中的热输入会产生残余应力、微结构变化和缺陷等问题。质量取决于参数控制。熔敷质量取决于对参数的调整，以减少不良影响，例如通过优化焊接电流、电压、速度和保护/冷却间隔来保持稳定的电弧特性和管理层间温度。

缓解技术

解决问题的方法包括降低热输入、工序间工艺、热处理和质量监控。优化参数的重点是通过 CMT 焊接或更高的焊接速度降低热输入，通过提高冷却速度细化晶粒。其他方法包括层间冷却间隔、层间轧制/锻造和后处理。 建筑金属加工 热处理。受控多道熔覆还能解决残余应力问题。工艺监控和质量控制方面的进步进一步帮助了可重复制造。

材料与应用

合金能力

线弧快速成型技术可为结构性和功能性应用提供广泛的合金材料。常用材料选择 金属加工技术 不锈钢和超级合金是涡轮机、飞机和石油工程的首选材料。钛凭借其耐腐蚀性和强度密度比的优势，在生物医学和海洋应用领域得到广泛应用。

行业使用情况

航空航天业利用 WAAM 制造复杂的发动机部件、燃烧室和涡轮翼面。汽车应用包括热交换器、涡轮增压器和轻质汽车结构。在船舶领域，WAAM 通过直接打印舱壁、加强筋和其他船体部件来简化造船过程。医疗领域也在探索使用生物相容性钛和不锈钢定制植入物、支架和假肢。

研究趋势与未来展望

正在进行的研究领域

线弧快速成型制造研究的活跃领域集中在进一步的合金/工艺开发、质量控制、混合技术和基于模拟的优化。开发工作主要围绕完善金属-工艺组合、设计自适应控制、混合技术和数字建模。研究战略包括优化脉冲频率和波形等参数以及多层优化、 机械后处理 和连接异种材料。

未来潜力

未来的发展需要在工业规模上进行可靠的串行制造示范。扩大材料库、规范领域认证以及标准化工作将进一步提高其可接受性。随着研究投入的不断增加，线弧快速成型技术显示出强大的发展潜力，有望成为一种主流制造平台，与传统的闭模冲压或全面铸造技术相媲美并取而代之。

结论

总之，线弧增材制造已成为一种强大的金属增材制造方法。通过将电弧焊作为一种经济的熔接源，并结合连续送丝机械，线弧增材制造技术促进了数字化制造。 艺术中的金属加工 以较高的材料效率和沉积率生产大型部件。尽管面临着固有的热相关挑战，但全球正在进行的研究正通过优化加工、新型合金和混合技术集成积极扩展 WAAM 的能力。随着缺点的解决和工艺控制的完善，未来 WAAM 将为各工业领域的高效和数字化金属制造做出贡献。

常见问题：

Q.WAAM 代表什么？

A.WAAM 是 Wire Arc Additive Manufacturing（线弧增材制造）的缩写。这是一种使用电弧作为强度源来交织金属丝原料并逐层制造零件的添加物质制造工艺。圆环部分通常是通过气体金属弧焊（GMAW）或气体钨极弧焊（GTAW）制造的，同时持续使用金属丝。这要考虑到精心确定的金属零件 3D 打印。

Q.WAAM 如何工作？

A.在 WAAM 工艺中，焊枪用于在送丝尖端和基底或底板之间产生电弧。当电弧熔化送丝时，熔滴转移形成焊珠。焊珠沉积在基板上形成第一层。然后，焊枪根据软件工具路径规划重新定位，以沉积连续的焊珠和焊层，从而根据输入的三维模型数据，逐步形成具有所需形状和尺寸的零件。惰性保护气体可保护电弧和熔融金属在沉积过程中不受污染。

Q.WAAM 可以使用哪些材料？

A.线弧快速成型制造中使用的普通材料包括钢化合物（如器械预处理钢、回火钢）、超级合金（如航空应用中的铬镍铁合金和哈氏合金）、汽车和船舶领域中的铝合金、用于临床插片和航空领域的钛及其组合材料，以及因其高强度-重量特性而备受关注的响应性镁复合材料。新的研究还关注了利用 WAAM 制造的镍基和镁基复合材料。

Q.哪些行业使用 WAAM？

A.利用 WAAM 技术的主要工业部门包括：制造需要耐高温的飞机发动机部件的航空航天；制造涡轮增压器、发动机缸体等的汽车；造船应用的船舶；制造涡轮机、管道和反应堆的能源生产；工业设备制造；以及广泛用于植入物、支架和假肢的钛和不锈钢的医疗/牙科。

Q.WAAM 正在应对哪些挑战？

A.研究旨在最大限度地减少在 WAAM 过程中因高热量输入而产生的问题，如残余应力、异质微结构和缺陷。这涉及优化电流、速度、冷却时间等工艺参数；开发自适应控制；设计结合加法和减法工艺的混合技术；采用热处理等沉积后处理方法；无损监测等。目标是通过 WAAM 生产稳定、高质量的大型金属零件。