電弧金屬3D打印的未來之路：替代部分鑄造工業(yè)

導(dǎo)讀：相較于傳統(tǒng)鑄造加工模式而言，電弧增材制造（WAAM）可以大幅度縮短工件的交付時(shí)間，同時(shí)提供了更多的設(shè)計(jì)可能性。憑借著它的即時(shí)生產(chǎn)能力，它可以完美實(shí)現(xiàn)“今天設(shè)計(jì)、明天投產(chǎn)”的新型制造模式。
△南京英尼格瑪?shù)男⌒碗娀〗饘?D打印機(jī)

林肯電氣增材解決方案公司的業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mark Douglass說："鑄件的生產(chǎn)制造是一個(gè)復(fù)雜且漫長的過程，因?yàn)樗�受到傳統(tǒng)制造模式多重步驟的限制。如今，我們的一個(gè)合作伙伴——位于俄亥俄州的Euclid公司已經(jīng)使用18臺(tái)WAAM機(jī)器人，通過金屬沉積進(jìn)行3D打印，為大型金屬部件提供生產(chǎn)能力，從而達(dá)到了替代鑄造工件的效果。這項(xiàng)技術(shù)在covid-19疫情大流行期間展現(xiàn)出的優(yōu)勢變得很明顯，因?yàn)楣��?yīng)鏈被打破和拉長了。增材制造可以在三或四周內(nèi)提供大型金屬部件，而通過鑄造獲得相同部件的準(zhǔn)備時(shí)間很容易達(dá)到五倍之多，在疫情時(shí)期可能會(huì)更長�！�

△通過WAAM生產(chǎn)大型零件

上圖是位于俄亥俄州Euclid的林肯電氣公司的增材制造工廠正在制作的一個(gè)零件，它是藝術(shù)家Jenny Sabin為內(nèi)布拉斯加大學(xué)醫(yī)學(xué)中心創(chuàng)作的雕塑部件，看起來有兩米左右的樣子，但這也從側(cè)面說明了WAAM在生產(chǎn)非常大的結(jié)構(gòu)方面的自由。像這樣的大部件可以被焊接在一起，產(chǎn)生非常大的形狀，因?yàn)檎�如Douglass（右）所解釋的，無論如何，線弧增材制造工藝的基礎(chǔ)原理就是焊接。

電弧增材制造的價(jià)值

但電弧增材制造技術(shù)的價(jià)值是什么呢？Douglass解釋說：“這個(gè)問題缺乏一個(gè)準(zhǔn)確的答案，可能是看到WAAM作為一種新型生產(chǎn)模式，能夠起到部分替代鑄造的作用。

事實(shí)上，增材制造擁有著很大程度上的設(shè)計(jì)自由，以及它可以實(shí)現(xiàn)的精心設(shè)計(jì)的零件幾何形狀和材料組合，還有在生產(chǎn)過程中隨意改變設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。在合理化生產(chǎn)過程的選擇中，增材的自由度比傳統(tǒng)工藝的自由度大得多，交貨時(shí)間也可能短得多，但業(yè)界一般還沒有評(píng)估這些優(yōu)勢的標(biāo)準(zhǔn)措施或辦法。

電弧增材制的局限性

當(dāng)然，電弧金屬3D打印還有著其他方面的限制。材料成本就是其中之一，因?yàn)殡娀≡霾闹械木�材必須以適合這種工藝的方式交付。Douglass表示："面對(duì)成百上千個(gè)零件訂單，我們在成本上沒有競爭力，鑄造毫無疑問會(huì)以數(shù)量取勝。但是，如果數(shù)量在10個(gè)左右，增材確實(shí)會(huì)勝出，不過目前通過鑄造生產(chǎn)的許多生產(chǎn)零件也都是以小批量生產(chǎn)的。增材制造帶來的自由，使其能夠輕松地改變幾何形狀，形成更多樣化的零件系列，隨著時(shí)間的推移，有望將更多的工作納入這一范圍內(nèi)�！�

△克利夫蘭地區(qū)的增材解決方案工廠使用機(jī)器自動(dòng)化WAAM。

正如上圖所展示的，當(dāng)涉及到在工作空間周圍以不同角度沉積材料時(shí)，機(jī)器人比封閉式機(jī)器提供了更大的自由。同時(shí)，通過金屬沉積法生產(chǎn)的焊接件在內(nèi)部質(zhì)量上更加穩(wěn)定，其性能更接近于鍛造材料，這也證實(shí)了WAAM技術(shù)強(qiáng)大的制造能力。

應(yīng)用前景

WAAM在制造工具方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛躍。目前，航空航天和其他制造商多數(shù)采用WAAM系統(tǒng)來制造金屬和復(fù)合材料工具，它可以縮短交貨時(shí)間和加快零件制造速度�？死�夫蘭的大尺寸機(jī)器人WAAM采取了與其他3D打印工藝相同的路線。WAAM的不同之處在于，它已經(jīng)被廣泛接受和了解，因?yàn)樗�的原理是基于已�?jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)的焊接工藝，盡管他在本質(zhì)上仍與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)有著一定的不同。

當(dāng)今WAAM技術(shù)的主要應(yīng)用對(duì)象是航空工業(yè)的大型工具，上圖可以看到的是一種復(fù)合材料鋪層工具，其中工作表面是由 Invar 3D 打印的。

林肯電氣公司專業(yè)從事焊接的時(shí)間已有125年之久，該公司擁有依賴其焊接系統(tǒng)的大型客戶，包括知名的重工業(yè)OEM，他們也對(duì)實(shí)現(xiàn)增材的靈活性和成本節(jié)約潛力感興趣。此外，林肯電氣公司還因在自己的組織內(nèi)開發(fā)和生產(chǎn)焊接系統(tǒng)的所有部件，包括電源、焊槍和材料而備受矚目。

△WAAM制造的多接口

上圖是WAAM的一個(gè)管路接頭的演示作品，請(qǐng)注意構(gòu)建圖層線并非全部平行，這是由于機(jī)器人沉積允許在同一周期內(nèi)以不同的角度構(gòu)建不同的特征，這一作品是為了探索在建造海上石油平臺(tái)時(shí)使用增材制造多通道接頭替代方案的可行性。

影響WAAM質(zhì)量的因素

WAAM屬于焊接，但它是連續(xù)的焊接，涉及到精細(xì)堆積焊點(diǎn)，這也對(duì)涉及該工藝的每個(gè)過程都提出了挑戰(zhàn)，包括沉積、冶金、機(jī)器自動(dòng)化，甚至是精加工。此外，軟件也是決定WAAM質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵要素。通過焊接進(jìn)行沉積不僅僅是工具路徑（或焊槍通道）的問題，而且還受到電流波形的頻率和振幅的影響。Douglass說："一個(gè)傳統(tǒng)的CAM軟件公司不太可能開發(fā)這種專門匹配WAAM工藝的軟件，但林肯公司做到了。

焊接材料是另一個(gè)重要的影響因素，標(biāo)準(zhǔn)的絲材可以在WAAM中使用，但如何矯正從線軸中抽出焊絲的扭曲度并使它的進(jìn)給量足夠好，以便進(jìn)行可控的沉積，這都是優(yōu)化WAAM需要解決的問題。

WAAM技術(shù)的另一個(gè)有應(yīng)用前途的案例是大型機(jī)器的替換部件，林肯電氣公司內(nèi)部目前也在開展相關(guān)方面的研究工作。Douglass說：“從目前制造商對(duì)增材技術(shù)的接受程度和應(yīng)用狀況來看，我們還必須進(jìn)一步推廣這項(xiàng)技術(shù)的使用，以便不斷改進(jìn)它，開拓市場�！�

通過WAAM制造零件有著極短的供應(yīng)鏈，相較于從海外鑄造廠運(yùn)來的大型鑄件，金屬3D打印完全可以實(shí)現(xiàn)本土制造和加工相同的零件，然后運(yùn)給位于同一地區(qū)的客戶。

為了讓機(jī)器人有足夠的高度到達(dá)背景中的零件頂部，并在一次循環(huán)中全部打印出來，林肯電氣首先3D打印了前景中安裝機(jī)器人的基座。

對(duì)于那些需要大型的、相對(duì)低數(shù)量的鑄件的買家，WAAM是一個(gè)絕對(duì)合理的選擇。例如壓力容器此前都是通過鑄造完成的，這一過程有著長達(dá)16至18周的延遲，而WAAM可以將這一時(shí)間縮短至4至5周。通過WAAM完成容器毛坯，然后是精修加工，再加上優(yōu)越的冶金性能，就可以完整地交付部件。不過WAAM部件距離實(shí)際應(yīng)用仍存在著一定障礙，根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)制造的這些容器必須使用符合特定規(guī)范的焊接程序，而問題就在于WAAM的焊接程序一直沒有一個(gè)規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)化的鑒定方法。

WAAM的標(biāo)準(zhǔn)化道路

WAAM的標(biāo)準(zhǔn)很重要，它是壓力容器制造商需要遵守的法則。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要作用是為定義預(yù)期的零件性能和質(zhì)量設(shè)定一個(gè)共同遵守的行業(yè)基線。要使用WAAM，它必須以某種方式遵守這些標(biāo)準(zhǔn)。

WAAM類似焊接，但卻又不是焊接，它們主要的區(qū)別在于焊接不需要連續(xù)沉積，而增材制造需要。圖中所展示的測試設(shè)置探索了這種差異，在管道上進(jìn)行3D打印是噴嘴壽命評(píng)估的一部分。

在2021年的10月底，林肯電氣公司已經(jīng)宣布在WAAM標(biāo)準(zhǔn)化制定方面取得了一定進(jìn)展。這要?dú)w功于林肯電氣增材解決方案團(tuán)隊(duì)成員參與討論，相關(guān)的ASME規(guī)范現(xiàn)在已經(jīng)增加了一種方法來鑒定氣體金屬電弧增材制造。使用低碳鋼合金的WAAM程序已經(jīng)根據(jù)該系統(tǒng)進(jìn)行了鑒定。

Douglass說，現(xiàn)在推進(jìn)電弧增材制造需要與相關(guān)行業(yè)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接軌，這已經(jīng)不再是技術(shù)發(fā)展的問題。技術(shù)開發(fā)仍在進(jìn)行中，但技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)�，F(xiàn)在更大的挑戰(zhàn)在于：眾人對(duì)WAAM的信心是否還在？如何實(shí)現(xiàn)WAAM的盈利？WAAM行業(yè)未來的生產(chǎn)模式究竟是怎樣？這些問題，南極熊也想知道答案，但可以肯定的是，WAAM如今作為增材制造領(lǐng)域主要研究方向，未來一定會(huì)向著更加成熟化、標(biāo)準(zhǔn)化的道路邁進(jìn)。

中國的電弧金屬3D打印

據(jù)南極熊了解，在中國，也有一些做得不錯(cuò)的電弧熔絲金屬3D打印廠商，特別是南京英尼格瑪。在電弧增材制造方面，南京英尼格瑪算是業(yè)內(nèi)最早涉足的企業(yè)之一，已在這個(gè)行業(yè)深耕了十年之久，已掌握了電弧增材制造的整套技術(shù)，包括裝備、工藝、軟件和材料等，目前在國內(nèi)乃至國際已處于領(lǐng)先的地位。

電弧金屬3D打印