高强度低合金钢零件的电弧增材制造：环境影响、成本和机械性能！

来源：焊接科学

2024年07月12日，葡萄牙新里斯本大学科学技术学院的研究团队在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊发表最新研究文章“Wire arc additive manufacturing of a high-strength low-alloy steel part: environmental impacts, costs, and mechanical properties”，研究了高强度低合金钢部件的电弧增材制造技术，包括环境影响、成本和机械性能的评估。

该论文研究了电弧增材制造（WAAM）的定向能量沉积（DED）新技术。WAAM因其快速构建率、构建大型体积的能力以及与成熟粉末基AM技术相比更便宜的原材料和机器工具而发展迅速。然而，WAAM产品存在表面粗糙度差、尺寸精度低、热变形、残余应力以及孔洞、裂纹和驼峰等缺陷，通常需要后处理操作，如精加工和热处理。这些后处理操作增加了WAAM构建部件的生产成本和环境足迹。因此，该研究分析了WAAM部件的环境影响、生产成本和机械性能，并与传统的计算机数控（CNC）铣削和激光粉末床熔化（LPBF）技术进行了比较。

工作亮点

全面评估了WAAM技术在制造高强度低合金钢部件时的环境影响、成本和机械性能。

通过生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）方法，比较了WAAM与传统CNC铣削和LPBF技术。

研究发现WAAM在材料效率和能源效率方面优于CNC铣削和LPBF，尤其是在批量生产中更为经济。

WAAM制造的部件展现出良好的机械性能，与铸造/锻造材料相当。

实验方法

选用了高强度低合金钢（ER70S）作为WAAM工艺的原材料。

通过实验建立了WAAM技术及其后处理加工操作的流程。

使用生命周期评估和生命周期成本方法对WAAM的环境影响和成本进行了评估，并与传统的CNC铣削和LPBF技术进行了比较。

对WAAM制造的部件进行了机械特性测试，包括单轴拉伸测试和维氏硬度测试。

图1. WAAM工艺的原理图及实例部件的沉积前后状态。

图2. 生命周期评估框架基于ISO 14044标准。

图3. 根据调整的生命周期成本框架。

图4. 拉伸试验样品的方向和尺寸。

图5. 考虑中的部件；其尺寸；沉积后的WAAM部件；WAAM部件经精加工后。

图6. 考虑中的系统边界。

图7. WAAM功率测量。

图8. CNC加工功率测量。

图9. 使用WAAM制造选定部件的步骤。

论文总结
该研究对WAAM制造的部件进行了摇篮到大门的生命周期评估和成本分析，并与传统的CNC加工和LPBF方法进行了比较。研究发现，对于所研究的机械部件，WAAM实现了40%的材料减少，因此被视为最环保的方法。WAAM在批量大小超过3时成为最便宜的选项。WAAM制造的部件在环境和经济可持续性方面优于传统CNC加工，尤其是在制造大型产品时。WAAM制造的部件展现出与其原始材料相当的良好的机械强度和硬度，但也存在由于层叠沉积和各向异性材料晶粒生长导致的机械性能的各向异性。

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