高強度低合金鋼零件的電弧增材制造：環(huán)境影響、成本和機械性能！

來源：焊接科學

2024年07月12日，葡萄牙新里斯本大學科學技術(shù)學院的研究團隊在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊發(fā)表最新研究文章“Wire arc additive manufacturing of a high-strength low-alloy steel part: environmental impacts, costs, and mechanical properties”，研究了高強度低合金鋼部件的電弧增材制造技術(shù)，包括環(huán)境影響、成本和機械性能的評估。

該論文研究了電弧增材制造（WAAM）的定向能量沉積（DED）新技術(shù)。WAAM因其快速構(gòu)建率、構(gòu)建大型體積的能力以及與成熟粉末基AM技術(shù)相比更便宜的原材料和機器工具而發(fā)展迅速。然而，WAAM產(chǎn)品存在表面粗糙度差、尺寸精度低、熱變形、殘余應力以及孔洞、裂紋和駝峰等缺陷，通常需要后處理操作，如精加工和熱處理。這些后處理操作增加了WAAM構(gòu)建部件的生產(chǎn)成本和環(huán)境足跡。因此，該研究分析了WAAM部件的環(huán)境影響、生產(chǎn)成本和機械性能，并與傳統(tǒng)的計算機數(shù)控（CNC）銑削和激光粉末床熔化（LPBF）技術(shù)進行了比較。

工作亮點

全面評估了WAAM技術(shù)在制造高強度低合金鋼部件時的環(huán)境影響、成本和機械性能。

通過生命周期評估（LCA）和生命周期成本（LCC）方法，比較了WAAM與傳統(tǒng)CNC銑削和LPBF技術(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)WAAM在材料效率和能源效率方面優(yōu)于CNC銑削和LPBF，尤其是在批量生產(chǎn)中更為經(jīng)濟。

WAAM制造的部件展現(xiàn)出良好的機械性能，與鑄造/鍛造材料相當。

實驗方法

選用了高強度低合金鋼（ER70S）作為WAAM工藝的原材料。

通過實驗建立了WAAM技術(shù)及其后處理加工操作的流程。

使用生命周期評估和生命周期成本方法對WAAM的環(huán)境影響和成本進行了評估，并與傳統(tǒng)的CNC銑削和LPBF技術(shù)進行了比較。

對WAAM制造的部件進行了機械特性測試，包括單軸拉伸測試和維氏硬度測試。

圖1. WAAM工藝的原理圖及實例部件的沉積前后狀態(tài)。

圖2. 生命周期評估框架基于ISO 14044標準。

圖3. 根據(jù)調(diào)整的生命周期成本框架。

圖4. 拉伸試驗樣品的方向和尺寸。

圖5. 考慮中的部件；其尺寸；沉積后的WAAM部件；WAAM部件經(jīng)精加工后。

圖6. 考慮中的系統(tǒng)邊界。

圖7. WAAM功率測量。

圖8. CNC加工功率測量。

圖9. 使用WAAM制造選定部件的步驟。

論文總結(jié)
該研究對WAAM制造的部件進行了搖籃到大門的生命周期評估和成本分析，并與傳統(tǒng)的CNC加工和LPBF方法進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，對于所研究的機械部件，WAAM實現(xiàn)了40%的材料減少，因此被視為最環(huán)保的方法。WAAM在批量大小超過3時成為最便宜的選項。WAAM制造的部件在環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)性方面優(yōu)于傳統(tǒng)CNC加工，尤其是在制造大型產(chǎn)品時。WAAM制造的部件展現(xiàn)出與其原始材料相當?shù)牧己玫臋C械強度和硬度，但也存在由于層疊沉積和各向異性材料晶粒生長導致的機械性能的各向異性。

論文地址
https://doi.org/10.1007/s00170-024-14144-z