WAAM！什么是電弧增材制造？

魔猴君  知識(shí)堂   198天前

電弧增材制造這種3D打印技術(shù)實(shí)際上已在重工業(yè)和航空航天領(lǐng)域使用多年。在20世紀(jì)70年代，它被稱為形狀焊接，但自那時(shí)以來已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。如今，它被視為制造業(yè)、重工業(yè)、國(guó)防和航空航天業(yè)的一種生產(chǎn)大型金屬部件的方法，其時(shí)間和成本僅為傳統(tǒng)鍛造、鑄造或機(jī)械加工的一小部分。它也可能成為解決行業(yè)供應(yīng)鏈堵塞、市場(chǎng)創(chuàng)新壓力以及更快維修和備件交付的解決方案。

本文魔猴網(wǎng)將為大家介紹WAAM技術(shù)、它的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)以及最新的應(yīng)用。

荷蘭RamLab的WAAM 3D打?。▉碓矗篟amLab）

什么是WAAM？

電弧增材制造使用金屬絲作為材料，電弧作為能源，類似于焊接。電弧熔化金屬絲，然后通過機(jī)械臂將金屬絲一層層地沉積到表面上，例如多軸轉(zhuǎn)盤。與焊接一樣，惰性氣體可防止氧化并改善或控制金屬的性能。

該過程將材料逐漸構(gòu)建成完整的3D物體或現(xiàn)有物體的修復(fù)。無(wú)需移除支撐結(jié)構(gòu)，成品部件可根據(jù)需要進(jìn)行CNC加工以達(dá)到嚴(yán)格的公差或表面拋光。通常，打印部件會(huì)接受熱處理以消除任何殘余應(yīng)力。

一旦采用WAAM 3D打印，諸如鈦支架之類的部件就會(huì)被加工成精密部件，與機(jī)械加工相比可節(jié)省近70%的原材料（來源：Norsk Titanium）

WAAM建立在成熟的焊接方法和材料結(jié)果之上。盡管WAAM使用復(fù)雜的軟件來控制過程中的一系列變量，但人們對(duì)通用方法的熟悉程度吸引了更多公司采用該技術(shù)。

您可能會(huì)聽到WAAM有其他名稱，因?yàn)樵擃I(lǐng)域的公司都在努力推廣其技術(shù)，使其優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。然而，使用激光或帶金屬線的電子束而不是電弧的方法是定向能量沉積(DED)3D打印類別下的另一項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)。

WAAM3D采用電弧增材制造技術(shù)制造的鈦罐（來源：WAAM3D）

WAAM被認(rèn)為是DED技術(shù)中最具成本效益的選擇，因?yàn)樗梢允褂矛F(xiàn)有的電弧焊接機(jī)器人和電源，而且它使用現(xiàn)成的焊接材料，因此進(jìn)入門檻相對(duì)較低。WAAM的電弧技術(shù)（包括等離子?。┍绕渌愋偷腄ED中使用的激光和電子束更便宜、更安全，并且不需要真空室來處理非活性金屬。然而，對(duì)于鈦或鋁等活性金屬，仍然需要通常由氬氣或氮?dú)庵瞥傻亩栊詺怏w環(huán)境，以避免與大氣氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

WAAM的主要賣點(diǎn)是快速且經(jīng)濟(jì)地打印大型金屬物體，但該技術(shù)的吸引力還不止于此。

WAAM可與任何可焊金屬配合使用

WAAM具有較高的沉積量和沉積速率（可快速構(gòu)建零件）

WAAM大幅減少了原材料的使用和浪費(fèi)

WAAM使用現(xiàn)有的電弧焊技術(shù)

WAAM可以制造非常大的部件

WAAM可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由和復(fù)雜幾何形狀

WAAM技術(shù)基于電弧焊，因此材料和工藝行為是已知的

如今，制造WAAM 3D打印機(jī)的公司越來越多，提供按需WAAM金屬3D打印服務(wù)的公司數(shù)量也越來越多。讓我們仔細(xì)看看目前市場(chǎng)上有哪些應(yīng)用和WAAM 3D打印機(jī)，它們讓這項(xiàng)技術(shù)成為一種可行的解決方案。

為何使用WAAM？

用作船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的不銹鋼葉輪由Gefertec采用WAAM技術(shù)生產(chǎn)（來源：Gefertec）

很多行業(yè)都可以從大型金屬部件和更快的更換中受益。從國(guó)防和海洋到建筑和航空航天，WAAM都得到了廣泛應(yīng)用

快速制造大型金屬零件

再制造重工業(yè)零件

創(chuàng)造獨(dú)一無(wú)二的金屬特征

修理模具

現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)或重新利用金屬部件

使用您自己的WAAM 3D打印機(jī)或使用本地打印服務(wù)，可以消除供應(yīng)鏈問題并更快地將金屬零件投入使用。

打印機(jī)制造商WAAM3D的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Filomeno Martina表示：“由于WAAM適合制造通常僅在世界少數(shù)地區(qū)鍛造的超大型結(jié)構(gòu)，我們看到了越來越多的需求，而且我認(rèn)為它只會(huì)變得越來越大?！?/span>

例如，如果您從事石油和天然氣行業(yè)，需要快速獲得獨(dú)特的金屬替換部件，WAAM可以以每小時(shí)約600 cm3的速度制造出近凈形狀的部件。然后可以用CNC加工出近凈形狀，以達(dá)到精確的公差。

澳大利亞WAAM初創(chuàng)公司AML3D正是這樣做的，他們制造了一個(gè)重達(dá)940公斤的管道短管組件，用于石油和天然氣行業(yè)。這是同類產(chǎn)品中第一個(gè)采用WAAM金屬3D打印并經(jīng)過獨(dú)立壓力測(cè)試的產(chǎn)品。這個(gè)41毫米厚的高壓管道短管長(zhǎng)850毫米，寬450毫米，是根據(jù)嚴(yán)格且新發(fā)布的美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)20S打印的，符合所有測(cè)試驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。該組件還通過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高壓測(cè)試。

這款重達(dá)940公斤的管道短管組件用于石油和天然氣行業(yè)，由AML3D采用WAAM 3D打印而成（來源：AML3D）

事實(shí)證明，WAAM可將零件生產(chǎn)時(shí)間縮短數(shù)月，但材料節(jié)約和可持續(xù)性是該技術(shù)的其他重要屬性。WAAM僅使用必要的材料即可生產(chǎn)出接近最終尺寸的零件，與鍛造或CNC加工相比，浪費(fèi)很少。這在使用鈦等昂貴材料時(shí)尤其重要。

目前WAAM中最常用的金屬包括：

鈦（TI-6Ai-4V、5級(jí)、23級(jí)）

鋼材（馬氏體時(shí)效鋼250級(jí)、雙相鋼2205、2507、馬氏體鋼410、奧氏體鋼420）

不銹鋼(316L)

鋁(2319,4043,5183,5356,5087)

鎳合金（Inconel 625和718、FeNi36(INVAR)、NiAiCu(NAB)

隨著人們對(duì)WAAM的興趣日益濃厚，材料的選擇也越來越多。例如，材料供應(yīng)商Alloy Wire International提供一系列特種航空合金，包括Monel、Nimonic、Nitronic、Waspaloy和Phynox，其供應(yīng)范圍擴(kuò)大到60多種不同的材料。

作為一種3D打印技術(shù)，WAAM可以生產(chǎn)鍛造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特形狀和填充物。由于它不需要模具、沖?；蚬ぞ?，因此每個(gè)打印件都可以定制。這大大降低了制造獨(dú)特替換部件、小批量部件甚至藝術(shù)部件（如下面的建筑梁支架）的成本。

WAAM 3D打印的建筑和設(shè)計(jì)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，且成本遠(yuǎn)低于機(jī)械加工（來源：MX3D）

與其他3D打印技術(shù)一樣，借助WAAM，工程師可以采用多組件系統(tǒng)并將其重新設(shè)計(jì)為一個(gè)整體進(jìn)行打印，從而無(wú)需組裝或焊接接縫。

WAAM速度快、成本低，但質(zhì)量如何？與鍛造件一樣好甚至更好的零件是WAAM打印機(jī)制造商所吹噓的。

英國(guó)飛機(jī)研究協(xié)會(huì)有限公司通過WAAM3D使用WAAM技術(shù)打印鋁制鼻錐，減少了73%的材料使用量，縮短了生產(chǎn)時(shí)間并降低了總體成本（來源：飛機(jī)研究協(xié)會(huì)有限公司）

WAAM材料特性和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

電弧增材制造圖像：WAAM材料特性和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

2021年7月，全球重型建筑設(shè)備制造商Huisman在獨(dú)立認(rèn)證機(jī)構(gòu)英國(guó)勞氏船級(jí)社的監(jiān)督下成功測(cè)試了四個(gè)新的3D打印起重機(jī)吊鉤（來源：Huisman）

WAAM零件與鑄造和鍛造零件具有同等水平，并且適用于多個(gè)具有認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)的受監(jiān)管行業(yè)，包括美國(guó)石油學(xué)會(huì)、英國(guó)勞氏船級(jí)社、焊接協(xié)會(huì)、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)、法國(guó)船級(jí)社海洋與近海部、DNV GL等。

2023年，當(dāng)Relativity Space成功發(fā)射其Terran 1火箭時(shí)，人們對(duì)該技術(shù)材料特性的所有疑慮都煙消云散了。該火箭由85%的3D打印部件制成，其中許多部件是用該公司專有的Stargate WAAM 3D打印機(jī)制造的，該火箭成功進(jìn)入太空，但最終未能進(jìn)入軌道。盡管如此，這一工程壯舉展示了WAAM制造的潛力及其承受最極端條件的能力。

Relativity Space開發(fā)了Stargate WAAM 3D打印機(jī)來制造其火箭（來源：Relativity Space）

采用WAAM生產(chǎn)的部件尤其以高密度和強(qiáng)機(jī)械性能而著稱。由于線材原料已經(jīng)是一種致密的輸入材料，因此在制造過程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生孔隙。

根據(jù)Kai Treutler和Volker Wesling最近的研究，“理解電弧增材制造的關(guān)鍵在于深入了解所使用的焊接工藝。增材制造和接頭焊接之間的差異在于熱導(dǎo)率的差異，薄壁結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率明顯較低。這使得熱管理成為實(shí)現(xiàn)所需零件幾何形狀和材料特性的關(guān)鍵因素?！?/span>

精確的熱管理正是WAAM機(jī)器軟件的作用所在。

WAAM 3D打印機(jī)制造商RamLab及其合作伙伴DEEP正在開發(fā)歐洲最大的多臂WAAM制造能力之一，以提供適合人類居住的壓力容器（來源：DEEP）

“可以說，機(jī)器人焊接和WAAM的基礎(chǔ)元素非常相似，”Martina說?！八鼈兌紡倪\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（例如機(jī)械臂）和焊接電源開始。不同之處在于能夠使用軟件來控制制造具有所需完整性水平的零件所需的一系列關(guān)鍵參數(shù)。”

精確控制熱量、焊珠尺寸、層高度和寬度、電流功率、沉積速度、機(jī)器人的移動(dòng)，以及如何根據(jù)最終部件的材料和形狀組合每個(gè)參數(shù)，是當(dāng)今WAAM機(jī)器的成功故事。

由于缺乏先進(jìn)的控制軟件，WAAM直到最近才實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這也是目前市場(chǎng)上產(chǎn)品之間的區(qū)別所在。

WAAM的零件可以在任何CAD或CAM軟件中設(shè)計(jì)，然后導(dǎo)入到每臺(tái)WAAM打印機(jī)的專有軟件中。

例如，WAAM3D附帶了一系列流程軟件：WAAMPlanner可執(zhí)行切片、構(gòu)建策略和刀具路徑規(guī)劃等任務(wù)；WAAMCtrl可控制打印機(jī)并監(jiān)控構(gòu)建過程；WAAMSim是用于碰撞檢測(cè)和刀具路徑驗(yàn)證的虛擬環(huán)境。WAAM3D的WAAMCtrl不僅可控制參數(shù)，還可為您提供制造流程的可審計(jì)跟蹤。

WAAM3D的WAAMPlanner軟件（來源：WAAM3D）

WAAM打印機(jī)制造商Gefertec提供用于刀具路徑生成的CAM-3DMP模塊化軟件，并與西門子數(shù)字工業(yè)公司共同開發(fā)集成，以在西門子NX平臺(tái)上執(zhí)行完整的CAD/CAM流程鏈。

WAAM挑戰(zhàn)

該船用螺旋槳是WAAM技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的首批示例之一（來源：RamLab）

WAAM正在向傳統(tǒng)制造業(yè)邁進(jìn)，但并非完全沒有挑戰(zhàn)。目前正在努力提高速度和簡(jiǎn)化軟件，同時(shí)進(jìn)行研發(fā)，以將WAAM從一次性或小批量生產(chǎn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榕可a(chǎn)制造。

與傳統(tǒng)方法相比，WAAM對(duì)于大批量零件來說并不是經(jīng)濟(jì)的選擇，因?yàn)橐坏﹦?chuàng)建了鍛造或鑄造模具，使用鑄造方法可以更快地生產(chǎn)出數(shù)百或數(shù)千個(gè)零件。

WAAM在精度上無(wú)法與粉末床熔合技術(shù)相媲美，但這并不意味著可以。打印后CNC加工用于嚴(yán)格的公差。

目前，WAAM專注于在金屬鍛造和鑄造的時(shí)間和成本阻礙供應(yīng)鏈的應(yīng)用領(lǐng)域中不斷推廣。隨著將生產(chǎn)移近需求點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面變得越來越重要，例如在石油和天然氣以及海洋工業(yè)中，WAAM提供了一種解決方案，并在每一個(gè)新應(yīng)用中證明了自己的價(jià)值。

“WAAM的普及只是時(shí)間問題，”鹿特丹WAAM打印機(jī)制造商和研究機(jī)構(gòu)RamLab的聯(lián)合創(chuàng)始人Wei Ya說道。“與任何其他新概念或新方法一樣，一方面，行業(yè)需要時(shí)間來建立共同的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和規(guī)則；另一方面，人們也需要時(shí)間來更好地了解這項(xiàng)技術(shù)，更加熟悉它，并最終將其投入使用?！?/span>

編譯整理：ALL3DP