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电弧增材制造优势略述



全球领先的增材智能制造中心

XI'an TSC Automatic Manufacturing Co.,Ltd.

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3D打印这种新兴的制造方式能够在如此短的时间内应用推广到航空航天、汽车、模具、医疗等众多领域中是由于这项技术的一个优势——个性化定制,针对不同的需求,打印不同的零部件。增材制造(即3D打印)涵盖了多种成形方式,有激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造等。激光增材制造是目前应用比较多的3D打印方式,在一些结构复杂、尺寸较小、表面精度高的零部件打印中,激光增材制造成型的优势是非常明显的。


但由于3D打印个性化定制的特有优势,一些定制大尺寸、强度高的零部件便不适于用激光增材制造方式成形,纵观国内外激光增材制造设备,SLM、LSF设备成形尺寸基本在1米以内,而针对于更大型、性能要求更高的零部件,电弧增材制造(即WAAM)便成为首选


电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)以电弧为载能束,采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件,该技术主要基于TIG、MIG、PAW等焊接技术发展而来,成形零件由全焊缝构成,化学成分均匀、致密度高,开放的成形环境对成形件尺寸无限制。

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各种3D打印技术对比图


相比激光、电子束增材制造,电孤增材制造技术最大的优势在于,电弧増材可实现多种材料的混合制造,大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形,在成形过程中可实现局部保护无需密封仓保护(部分金属除外),同时材料利用率高,节省成本。


电弧增材成形更适用于


成形大尺寸零部件




由于电弧增材制造设备成形过程无需密封仓保护,制造形式灵活,对零件尺寸限制少,成形零部件的尺寸、形状和重量几乎不受反应室的条件限制。国内外SLM设备的常规成形尺寸目前大约在500mm*500mm*500mm左右(数据仅作参考),而电弧设备成形尺寸则可达到3000mm*3000mm*2000mm或者更大。


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我司成形GH4169航天舵缩比件

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航天舵机加后


成形效率高,材料成本低




WAAM技术生产效率高,激光和电子束作为热源的金属增材制造生产效率为2-10g/min,而WAAM可达50-130g/min,若选择适当参数,最高可达到几公斤/小时,且节约原材料,尤其是贵重金属。能量利用率方面,激光为 2%-5%,电子束为 15%-20%,而电弧增材制造参数选择合适可达 50%以上。


电弧增材制造使用丝材而非金属粉末,丝材价格远低于粉末价格,例如钛合金TC4金属丝材的市场价格仅为粉末价格为1/4。金属粉末在打印过程中也会造成浪费,粉末单次利用率小于30%,为了节约成本,部分厂家都会收集二次粉并重复使用,二次利用的粉末打印的零件在零件性能以及表面粗糙度上不及一次粉打印的零件质量。而丝材在成形过程中材料利用率极高,可达90%以上,造成的浪费是可以忽略不计的。


成形零件性能指标优




WAAM技术与传统的铸造、锻造及其它AM技术相比具有一定的优势。电弧增材制造成形的零件由全焊缝金属组成,成分均匀、致密性高。与铸造和锻造工艺相比,成形件力学性能好、整体质量好、组织致密度高、机械性能优良、强度高、韧性好。


以我司成形GH4169、316零部件数据为例

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GH4169性能数据

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316性能数据


采用电弧增材制造成形的零部件各项性能指标均优于铸件性能。


设备成本优势显著




与其它金属增材制造技术相比,WAAM技术不需要高功率激光器、电子束发生器等昂贵设备,只需要常规的金属焊枪,再结合多轴数控运动控制或者机械臂以及相应的送丝机构,就可实现各种大尺寸金属构件的增材制造以及各种金属构件的修复再制造。

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设备构成原理图



成形过程中的稳定性工艺控制




不同于激光及电子束,电弧增材制造的熔池体积较大,而且成形过程中因冷态原材料、电弧力等扰动因素的存在,使得熔池成为一个不稳定的体系。


西安鑫精合自主研发电弧增材制造设备,采用自主研发路径剖分软件AMslicer+结合电弧增材工艺对零件模型进行剖分生成最优的成型路径,配合稳定的运动系统使电弧增材制造过程稳定可控。


运动系统是由ABB公司开发的应用于焊接的6自由度机器人,其先进的运动控制,大幅度提高了高速动作时的轨迹精度,运行精度为±0.02mm,且其运动范围大,可实现较大尺寸零件的快速制造。


五轴运动机构定位精度可达±0.02mm,运行尺寸可根据需求定制。五轴运动机构有着高效率、高精度的特点,可完成复杂零件的一次打印程序,同时减少辅助支撑。


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ABB机械手


在大型构件应用中前景广泛




随着轻量化、高机动性先进航空飞行器的发展,飞机结构件也向着轻量化、大型化、整体化改进,低成本高效地制造高可靠性、功能结构一体化的大型航空结构件成为航空制造技术发展的新挑战。核电、汽车、矿业等行业也逐渐由笨重型向轻量型转变,电弧增材制造以连续“线”作为基本构型单元,适用于机体、车体等内部框架、加强肋及壁板结构的快速成形。相信随着技术的不断发展与应用,电弧增材制造技术定会再大型尺寸零部件上发挥独有的优势。


以下为我公司WAAM成形部分零件展示


等离子试块.png

GH4169高温试块120*40*100mm

 

异型管件2.jpg

异形管道缩比件

实际尺寸φ220*420mm



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