取PBF和WAAM兩家之長(zhǎng)，工程師開(kāi)發(fā)出用于小型金屬零件的新型μ-WAAM技術(shù)

2022年2月10日，南極熊獲悉，里斯本NOVA大學(xué)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種新形式的線弧增材制造（WAAM），專(zhuān)門(mén)為小零件和精細(xì)特征細(xì)節(jié)而設(shè)計(jì)。

值得注意的是，這項(xiàng)命名為μ-WAAM的高精度3D打印技術(shù)使用的原料是直徑僅為250微米的金屬線材料。就市場(chǎng)背景而言，傳統(tǒng)的WAAM通常使用直徑在1毫米以上的金屬絲。它旨在提供精度和打印速度，將粉末床熔融（PBF）的分辨率與傳統(tǒng)WAAM的沉積率和材料效率相結(jié)合。

據(jù)NOVA的研究人員說(shuō)，新的μ-WAAM方法特別適合于制造薄壁和其他復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而在大規(guī)模的WAAM方面會(huì)有困難。

△μ-WAAM 3D打印機(jī)的細(xì)節(jié)。圖片來(lái)自里斯本國(guó)立大學(xué)。

PBF與WAAM 3D打印

如果你正在尋找較小規(guī)模的制造金屬部件，PBF是3D打印技術(shù)的首選。這種方法是利用激光或電子束在粉末床中熔化和融合粉末原料，在每一層之后進(jìn)行重涂和重印，以制造固體三維部件。由于使用點(diǎn)狀激光，PBF提供了較高的幾何精度，但卻受到低沉積率和高粉末浪費(fèi)的制約。

△與選擇性激光熔化（SLM）和傳統(tǒng)WAAM相比，使用μ-WAAM的理由示意圖，其目標(biāo)是同時(shí)提高沉積率和零件精度。圖片來(lái)自里斯本國(guó)立大學(xué)。

另一方面，那些尋求大型部件生產(chǎn)的人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，選擇線進(jìn)式定向能量沉積（DED）工藝是有用的。雖然WAAM的打印分辨率較低，但它擁有相對(duì)較高的材料沉積率，使其非常適合于海事等行業(yè)的大型部件應(yīng)用。

△通過(guò)WAAM 3D打印的大型部件存在分辨率低的問(wèn)題。照片來(lái)自WAAM3D有限公司。

μ-WAAM 3D打印機(jī)

為了將兩個(gè)領(lǐng)域特定技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，NOVA的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)定制的μ-WAAM電弧焊槍和一個(gè)小型龍門(mén)系統(tǒng)。很像一臺(tái)普通的FFF機(jī)器，μ-WAAM打印機(jī)是基于笛卡爾坐標(biāo)系，并利用線性軸承和傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，送絲裝置的靈感來(lái)自FFF 3D打印機(jī)中的長(zhǎng)絲擠出機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪由一個(gè)壓縮在徑向軸承下的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

為了與送絲裝置建立電接觸，該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)0.3毫米的黃銅噴嘴。此外，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的12V/100Ah電池被用作動(dòng)力源。在這種情況下，需要一個(gè)電池，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的焊接源根本無(wú)法提供足夠的I-V特性來(lái)產(chǎn)生這樣一個(gè)小的焊接電弧。諾瓦公司的研究人員甚至整合了氬氣保護(hù)氣體，以避免工藝引起的缺陷，如孔隙，同時(shí)保護(hù)焊絲材料免受氧化。

那么，它的效果如何？為了測(cè)試μ-WAAM 3D打印機(jī)，該團(tuán)隊(duì)讓它用鋼絲打印出一些薄壁結(jié)構(gòu)。PBF只能達(dá)到約2克/分鐘的構(gòu)建速度，而μ-WAAM的速度高達(dá)5克/分鐘。這仍然比不上傳統(tǒng)WAAM的沉積率，后者可以達(dá)到18.5g/min左右，但考慮到定制系統(tǒng)的尺寸，這一點(diǎn)令人印象深刻。

當(dāng)涉及到尺寸精度時(shí)，WAAM可能只能提供±0.7毫米的精度，這就是為什么需要進(jìn)行大量的后處理以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的表面處理。另一方面，μ-WAAM工藝設(shè)法實(shí)現(xiàn)了小于0.3毫米的尺寸精度。同樣，這并不像PBF（±0.04毫米）那樣精確，但在兩種傳統(tǒng)技術(shù)之間提供了一個(gè)很好的萬(wàn)能中間地帶。

最終，這項(xiàng)工作成功地驗(yàn)證了WAAM的一個(gè)新變種，將該技術(shù)的規(guī)模縮小以適應(yīng)更精細(xì)的特征細(xì)節(jié)和薄壁。μ-WAAM方法也許不是完美的，但它連接了PBF和WAAM的優(yōu)點(diǎn)，解決了兩者的一些痛點(diǎn)。

△使用μ-WAAM 3D打印的金屬零件。照片來(lái)自NOVA里斯本大學(xué)。

有關(guān)該研究的更多細(xì)節(jié)可在題為 "Micro Wire and ArcAdditive Manufacturing (μ-WAAM)"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... ?via%3Dihub#fig0001

上個(gè)月在一項(xiàng)類(lèi)似的研究中，美國(guó)加州州立大學(xué)洛杉磯分校和土耳其EskisehirOsmangazi大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)了一種低成本的WAAM 3D打印機(jī)，只需1000美元就可以制造。通過(guò)將氣體鎢極氬弧焊（GTAW）技術(shù)整合到一個(gè)類(lèi)似于FDM的龍門(mén)架設(shè)置中，研究人員能夠創(chuàng)造出一臺(tái)不依賴(lài)復(fù)雜機(jī)械臂的機(jī)器，使他們能夠保持其價(jià)格低廉和開(kāi)放源代碼。

在工業(yè)領(lǐng)域，金屬WAAM技術(shù)的開(kāi)發(fā)商MX3D最近公布了其新的部分3D打印的 "WAAM夾子"。這個(gè)混合的工業(yè)部件是一個(gè)管道鉗的例子，這是一個(gè)用于密封化學(xué)和石油天然氣部門(mén)的高壓泄漏的部件。WAAM夾子重達(dá)87公斤（其中30公斤是3D打印的），其制造時(shí)間為45小時(shí)。