高強度低合金鋼零件的電弧增材制造：環(huán)境影響、成本和機械性能！

來源：焊接科學(xué)

2024年07月12日，葡萄牙新里斯本大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院的研究團隊在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊發(fā)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”，研究了高強度低合金鋼部件的電弧增材制造技術(shù)，包括環(huán)境影響、成本和機械性能的評估。

該論文研究了電弧增材制造（WAAM）的定向能量沉積（DED）新技術(shù)。WAAM因其快速構(gòu)建率、構(gòu)建大型體積的能力以及與成熟粉末基AM技術(shù)相比更便宜的原材料和機器工具而發(fā)展迅速。然而，WAAM產(chǎn)品存在表面粗糙度差、尺寸精度低、熱變形、殘余應(yīng)力以及孔洞、裂紋和駝峰等缺陷，通常需要后處理操作，如精加工和熱處理。這些后處理操作增加了WAAM構(gòu)建部件的生產(chǎn)成本和環(huán)境足跡。因此，該研究分析了WAAM部件的環(huán)境影響、生產(chǎn)成本和機械性能，并與傳統(tǒng)的計算機數(shù)控（CNC）銑削和激光粉末床熔化（LPBF）技術(shù)進行了比較。

工作亮點

全面評估了WAAM技術(shù)在制造高強度低合金鋼部件時的環(huán)境影響、成本和機械性能。

通過生命周期評估（LCA）和生命周期成本（LCC）方法，比較了WAAM與傳統(tǒng)CNC銑削和LPBF技術(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)WAAM在材料效率和能源效率方面優(yōu)于CNC銑削和LPBF，尤其是在批量生產(chǎn)中更為經(jīng)濟。

WAAM制造的部件展現(xiàn)出良好的機械性能，與鑄造/鍛造材料相當。

實驗方法

選用了高強度低合金鋼（ER70S）作為WAAM工藝的原材料。

通過實驗建立了WAAM技術(shù)及其后處理加工操作的流程。

使用生命周期評估和生命周期成本方法對WAAM的環(huán)境影響和成本進行了評估，并與傳統(tǒng)的CNC銑削和LPBF技術(shù)進行了比較。

對WAAM制造的部件進行了機械特性測試，包括單軸拉伸測試和維氏硬度測試。

圖1. WAAM工藝的原理圖及實例部件的沉積前后狀態(tài)。

圖2. 生命周期評估框架基于ISO 14044標準。

圖3. 根據(jù)調(diào)整的生命周期成本框架。

圖4. 拉伸試驗樣品的方向和尺寸。

圖5. 考慮中的部件；其尺寸；沉積后的WAAM部件；WAAM部件經(jīng)精加工后。

圖6. 考慮中的系統(tǒng)邊界。

圖7. WAAM功率測量。

圖8. CNC加工功率測量。

圖9. 使用WAAM制造選定部件的步驟。

論文總結(jié)
該研究對WAAM制造的部件進行了搖籃到大門的生命周期評估和成本分析，并與傳統(tǒng)的CNC加工和LPBF方法進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，對于所研究的機械部件，WAAM實現(xiàn)了40%的材料減少，因此被視為最環(huán)保的方法。WAAM在批量大小超過3時成為最便宜的選項。WAAM制造的部件在環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)性方面優(yōu)于傳統(tǒng)CNC加工，尤其是在制造大型產(chǎn)品時。WAAM制造的部件展現(xiàn)出與其原始材料相當?shù)牧己玫臋C械強度和硬度，但也存在由于層疊沉積和各向異性材料晶粒生長導(dǎo)致的機械性能的各向異性。

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