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线弧增材制造无需模具即可生产接近最终形状的零件

大学仕 2020-12-24 14:14

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线弧增材制造是一种通过结合机器人技术和电弧焊3D打印大型金属零件的方法。与粉末床AM一样，零件一次只能建立一层。但是，WAAM不是熔化粉末，而是熔化直径通常为1到2毫米的金属丝。焊丝既是原料，又是电极，它在自身和与金属板上形成的零件之间形成电弧。放电产生的热量会产生相互融合的熔融金属珠。一系列的珠子形成一层，这些层堆叠起来形成零件。

CAD软件可指导机械臂或龙门系统360度移动以沉积磁珠。全向功能提供了构建具有复杂内部特征的大型且独特形状所需的多个自由度，这些复杂特征将使加工困难，耗时或无法实现。

Lincoln Electric Additive Solutions（LEAS）的业务开发经理Mark Douglass 解释说，在WAAM期间，焊丝通常垂直于构造平面，从而使过程对焊炬的行进方向不敏感。电弧从任何角度熔化金属丝，材料直接向下流动。他补充说：“热源可以由6轴工业机器人操纵，而2轴定位器可以操纵零件，从而显着提高了构建灵活性。”

WAAM内置组件尺寸的唯一限制是所用设备的尺寸，由于堆积通常发生在露天环境中，因此可以将沉积机器人与移动的基座配对使用，这有利于打印较高的零件，或者可以增加轨道系统的长度。

田纳西州橡树岭国家实验室（ORNL）的高级研发人员Andrzej Nycz说：“技术的规模很好。该实验室与林肯电气合作开发大规模WAAM技术，从理论上讲，它可以制造的组件的质量没有上限。而且零件尺寸可以增加，而硬件成本却不会成倍增加。在不增加设备成本的情况下，工作空间可以增加一倍。”

ORNL高级研发人员的Mark Noakes说，实验室的重点是增材制造大型零件，这些零件是一些结构零件，但主要用于汽车，家电和航空航天业的模具和冲压模具。“我们已经建造了一个7英尺长，400磅的重物。预计到2020年底之前，这些重量和尺寸至少要翻一番。”电气和海事行业的零件、原型和一次性零件都在ORNL实验室中生产，由2米高的WAAM系统组成，该系统使用三个机器人同时协调焊丝沉积以提高构建速度。

Noakes指出：“我们选择了三个，因为它创建了一个复杂的场景。三个呈现了足够的协调性问题，因此研究来解决这些问题将为我们提供将来使用任何数量的机器人所需的框架。这个数字可能是10或20或更多。”当前WAAM技术的制造速度每个打印头每小时制造5到15磅之间。据尼兹说，这一比率将提高。“我们在未来两年内的目标是存放25或30磅。使用单个机械手每小时重100磅的电线。使用多机器人系统每小时可产生的数据传输量。”

由于WAAM工艺会产生接近最终形状的组件，因此在后处理过程中需要去除的材料更少。“精加工时间比用实心坯料加工零件要少得多，” Noakes说。“您节省的材料少得多，这可以节省数小时或数天的生产时间。”他补充说，特征分辨率通常与零件尺寸和制造速度成反比。WAAM期间使用的电线可根据特定需求量身定制。可以选择金属混合物以降低材料成本或增加磨损区域的强度。

今天，大多数工业合金都可以线材形式获得，并且正在引入更多的合金。Noakes说，ORNL开始使用低碳钢线，但正在研究各种不锈钢、铝、铝镍、青铜和特殊材料。还正在开发用于生产大型零件的混合设备，该设备具有焊丝沉积和加工功能。为了使当前的CAD零件软件实现自动化以降低操作员所需的技能水平，正在取得进步。Nycz说，最后改善WAAM技术的目标是重新分配失去的生产工作。“WAAM能够生产具有成本竞争力的工具，并将部分市场带回美国。”

（文章来源于贤集网）

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