探索WAAM在金属3D打印中的潜力

南极熊导读：电弧增材制造（WAAM）技术通过电弧熔化金属逐层构建零件。它在航空、航天等领域的成功应用展现了高速打印、低成本和制造超大零件的独特优势。然而，WAAM也面临细节和尺寸精度的挑战，可能出现内部缺陷和残余应力。本文探讨WAAM技术的利与弊，助您深入了解其在工业中的前景。

“电弧增材制造（WAAM）是定向能量沉积（DED）3D打印技术的一个重要分支。这种技术主要应用于金属3D打印领域，它通过安装在多轴臂上的喷嘴，以粉末或线材形式沉积金属材料。DED技术使用聚焦能量源，如激光、电子束或等离子体，以在逐层构建零件时熔化材料。受电弧焊接技术的启发，WAAM采用电弧作为热源，有效地实现了金属零件的精确打印。

WAAM技术基于使用机器人系统的各种自动化焊接技术的原理：金属惰性气体（MIG）或金属活性气体（MAG）、钨极惰性气体（TIG）或等离子弧焊丝（PAW）。还有冷金属转移（CMT）焊接工艺，源自MIG，由Fronius于2004年创建。多种金属都与WAAM兼容，其中包括钛、铝、镍和钢合金等。

△Naval Group的3D打印螺旋桨

WAAM 3D打印的应用

与其它金属3D打印工艺一样，WAAM通常用于修复设备和复制不再制造的零件，以维护旧机器。然而，该技术也可用于制造完整的零件。WAAM特别用于航空、航天、汽车、能源和国防领域。它用于制造原型、模具、单个零件和小系列。然而，尽管它特别适合制造大型金属零件，但其在大规模生产中的应用仍在审查中。

△3D打印钢连接器

例如，在航空航天领域，Naval Group使用WAAM技术为Andromède号扫雷船制造螺旋桨。在能源领域，瓦卢瑞克使用WAAM生产了第一个密封环，以确保EDF Hydro水力发电装置的安全，该密封环直径一米，重100公斤。在机器人领域，MX3D还利用该技术生产结构钢连接器。MX3D还使用WAAM制造石油和天然气行业的管道连接器，以及大型机器的齿轮和定制组件。MX3D甚至使用WAAM工艺在阿姆斯特丹建造了一座桥梁！而且，Relativity Space使用这项技术来建造其Terran 1光发射器。另外，塑料工业模具的生产是另该技术的另一种常见应用之一。

WAAM 3D打印具有许多优势。首先，打印速度高，这对生产时间产生积极影响。成本也低于使用粉末床熔融技术的机器，特别是选择性激光熔化（SLM）。WAAM技术还因其生产超大零件的能力而脱颖而出。正如已经提到的，还有多种兼容金属可供选择。

△瓦卢瑞克在发电厂使用WAAM技术

技术的局限性

WAAM流程也有其局限性。由于它允许更快的打印，因此与粉末床融合技术相比，零件的细节和尺寸精度的再现效果较差。使用WAAM技术制造的零件可能存在内部孔隙等缺陷，这些缺陷会降低零件的机械性能，无论是静态还是疲劳（当零件受到各种力时，导致损坏）。对于铝制零件尤其如此。

残余应力是WAAM技术可能出现的另一个异常现象。它们可能导致零件尺寸或形状变形，特别是通过卷曲、翘曲或分层。所有这些现象的特点是打印部件各层变形，无论是顶部、底部，还是分层情况下的所有层。这些变形是由极高的工作温度和材料的技术性质引起的。当对零件施加力时，它们会导致零件支撑不良。

△使用WAAM技术的MX3D 3D打印机

为了避免这些缺陷，我们必须了解所有WAAM参数，以便准确设置，确保一致的金属沉积和热量保持稳定。放卷速度、进给速度、电流、电压、层厚、保护气体流量和珠间距等，都是确保工艺顺利进行的关键因素。

此外，存在一些技术解决方案可减轻异常情况，如机械加工硬化或轧制。这种方法涉及在冷却阶段使用滚筒对焊道施加压力，从而降低孔隙率。为减少残余应力，可以对材料进行预热。需要注意的是，某些材料和合金相较于其他，如铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金更容易破裂或分层。

与其它增材制造技术一样，WAAM也需要大量的精加工后处理，采用传统的机械加工工艺。在一些WAAM应用中，可以在打印阶段使用第二个机器人进行加工，进一步优化制造过程或改善打印结果。