电弧增材制造简介 [2020 更新]

电弧增材制造 (WAAM) 是一种鲜为人知的金属 3D 打印技术，但对于跨多个行业的大规模 3D 打印应用具有巨大潜力。

本指南将重点介绍 WAAM 的工作原理、优点和局限性，以及主要的 WAAM 公司和成功的应用。

电弧增材制造如何运作？

WAAM 是直接能量沉积技术的一种变体，它使用弧焊工艺来 3D 打印金属部件。

与更常见的金属粉末增材制造工艺不同，WAAM 的工作原理是使用电弧作为热源熔化金属线。

该工艺由机械臂控制和形状是建立在基板材料（基板）上的，一旦完成，零件就可以从该材料上切割下来。

金属丝在熔化后以珠子的形式挤压在基板上。当珠子粘在一起时，它们会形成一层金属材料。然后一层一层地重复这个过程，直到金属部分完成。

你可以在这里看到这个过程：

材料

WAAM 可以处理各种金属，只要它们是线状的。该清单包括不锈钢、镍基合金、钛合金和铝合金。任何可以焊接的金属也可以与 WAAM 一起使用。

电弧增材制造的好处

3D 打印大型金属部件的能力

WAAM 特别适用于制造大型金属零件。这与粉末床融合 (PBF) 金属增材制造技术形成对比，后者通常生产更小、高清晰度的组件。

与构建范围有限的 PBF AM 机器不同，WAAM 机器的机械臂具有更大的运动自由度，这意味着组件的尺寸不受空间限制，而仅受空间限制。机械臂可以达到的距离。这允许生产更大的零件，而这在 PBF 工艺中是不可能的。

更便宜的工艺和材料

在材料成本方面，WAAM 打印工艺中使用的焊丝比金属 PBF 中使用的金属粉末便宜得多。

这是因为 WAAM 技术基于焊接，这是一种行之有效的技术。制造技术本身。 WAAM 硬件通常包括现成的焊接设备，比市场上的许多金属 3D 打印机便宜。

此外，电线通常比粉末更容易处理，粉末需要专门的保护设备使用。

高质量零件

使用 WAAM 生产的零件以其高密度和强大的机械性能而著称，可与使用传统制造方法制造的零件相媲美。

由于线材原料是 100% 致密的输入材料，因此在制造过程中产生的孔隙率可以忽略不计，从而导致最终部件非常致密。

适合维修作业

WAAM 还是涡轮叶片等特定部件以及模具和冲模的维修和维护操作的不错选择。

磨损的特征或损坏的零件可以通过 WAAM 通过沉积新材料进行修复在它的表面上。这可以显着节省成本，因为它无需从头开始生产新零件。

WAAM 的局限性

残余应力和变形

与 WAAM 相关的一个挑战是热管理。

打印过程涉及高温，会导致残余应力的积累——这是金属 3D 打印经常面临的问题。由于残余应力通常会导致部件变形，因此必须将冷却考虑在内。

某些材料需要屏蔽

使用某些材料（如钛）时，需要屏蔽以营造惰性气氛，以确保合适的建筑条件。

这意味着该过程必须在惰性气体室中进行。然而，惰性气体室限制了该技术可以生产的零件的尺寸，安装这样的室会增加设备的成本。

低分辨率

WAAM 通常生产具有较差表面光洁度的近净形零件。因此，零件的表面需要通过机加工进行精加工。

主要 WAAM 播放器和技术应用

WAAM3D

截至 2020 年，WAAM 市场仍然很小，少数公司正在积极开发这种金属 3D 打印技术。

WAAM3D 可能是该领域鲜为人知的名字之一，但该公司在将其技术推向市场之前进行了大量研究。

WAAM3D 成立于2018 年将克兰菲尔德大学在 WAAM 领域的知识产权商业化。

据该公司称，缺乏供应链——即软件工具、WAAM 设计的硬件、原材料、培训和服务——阻碍了 WAAM 流程在工业领域的应有采用，尽管其商业利益已得到证实.

该公司旨在创建这样的供应链，并在航空航天与国防、石油与天然气、能源和核工业中推广 WAAM 的使用。

到目前为止，WAAM3D 已经发布了几个成功的应用其技术。

一个是BAE系统公司的欧洲战斗机台风战斗机的后架。钛部件的平面面积为 2.5 mx 1.5 m，支持能够产生 60 kN (13,500 lbf) 干推力的双 Eurojet EJ200 发动机。

另一个钛部件，1 m 长的压力这艘船是为泰雷兹阿莱尼亚航天公司制造的。通过使用 WAAM 制造该组件，该团队每个项目节省了 200 多公斤的材料，并且能够将容器的两个部分合并为一个。

此外，据报道，该部分的生产花费了几天——交货时间显着减少，因为零件通常需要几个月的时间来生产。

今年早些时候，WAAM3D 完成了第一轮 A 系列融资，这将使公司进一步发展WAAM 技术的商业化。

AML3D

克兰菲尔德大学启发了另一家公司的成立：AML3D。 AML3D 的董事总经理 Andrew Sales 曾在克兰菲尔德学习，并对该技术的潜力着迷，于 2014 年在澳大利亚成立了 WAAM 服务局。

2019 年，该公司获得了全球航运业认证机构的认证，劳埃德船级社。获得认证后，AML3D 向船舶客户交付了其第一部分：一套马氏体不锈钢耐磨环。

零件传统上是锻造的，需要额外的热处理后处理步骤。此过程将总交付时间延长至六到八周。如此长的交货期项目必须保留在实物库存中或过早更换。

通过使用 WAAM，AML3D 能够以相同的成本制造戒指，同时将交货时间缩短到几天。对于在码头停留有限时间的船舶来说，这是一项重要的改进。

为了进一步提高其能力，该公司现正计划近期在新加坡开设一家生产设施。这是由新加坡海运枢纽的需求推动的，因为该位置是商业航运路线的战略枢纽。

Ramlab

与此类似，鹿特丹港的增材制造现场实验室 (RAMLAB) 正在使用 WAAM 来加速船舶零件的生产。该公司在 2017 年通过 3D 打印世界一流船舶螺旋桨的全尺寸原型而引起轰动。

“WAAMpeller”采用298层镍铝青铜合金，重400公斤。该部件在七个月内完成——展示了 WAAM 在优化未来船舶部件生产方面的潜力。

2018 年，Ramlab 与豪氏威马设备合作，启动了另一个项目，以 3D 打印大型海上起重机吊钩，重量接近 1000 公斤。豪氏威马设备进一步推进了该项目，并通过 3D 打印、认证和安装了一个 36,000 公斤的 WAAM 吊钩，专为海上起重作业而设计。

MX3D

向世界开放 WAAM 技术的首批应用之一是由荷兰初创公司 MX3D 开发的 3D 打印钢桥。

该桥梁项目于 2018 年启动，耗时一年多才完成，但却展示了大型金属 3D 打印的潜力。

最近，MX3D 团队使用其技术 3D 打印铝制自行车车架。具有未来感的框架是在创成式设计软件的帮助下设计的，并在 24 小时内分两部分进行了 3D 打印，展示了 MX3D 的 WAAM 技术的高打印速度。 MX3D 还开发了一种“智能夹具设置”，据报道，它可以让任何定制的 WAAM 车架轻松准备好供骑行使用。

Gefertec

WAAM 领域的另一个参与者是德国公司 Gefertec。 2017 年，它推出了 3DMP® 制造技术，这是 Gefertec GTarc AM 机器系列的一部分。

最大的系统采用 3 轴系统，可生产高达 3 m3 的零件，最大质量为 3000 公斤。

Gefertec 机器的有趣之处在于它们可以与铣削系统集成。这意味着可以创建一个混合系统，其中使用 3DMP® 技术创建一个零件，然后立即完成加工。

使用 Gefertec 技术的一个例子是 3D 打印用于机车的金属轮对轴承盖。这种机车型号在 1960 年代和 1970 年代投入使用，这意味着很难采购备件，而这些备件通常已不再可用。

因此，组件的交付传统上需要长达 9 个月的时间，在此期间机车将停止服务，导致成本高昂。

Gefertec 的3D打印机用于生产这个备件，该项目从最初的设计到逆向工程和生产，在两个月内完成。虽然这是第一次生产工件，但有了既定的流程，就可以进一步缩短交货时间，可能只有几周。

WAAM – 大规模金属增材制造的可行选择

对于像WAAM这样相对较新的技术，应用程序的开发需要时间，整个行业才能感受到好处。然而，我们看到对大型金属 3D 打印组件的需求不断增长，这表明 WAAM 的采用将加速。

最终，很明显 WAAM 正在改变大型金属零件的生产方式，让公司可以选择更快、更具成本效益的生产方法。