Все о технологии WAAM

Содержание:

• Что такое WAAM
• Преимущества технологии WAAM
• Зачем использовать WAAM
• Сокращение отходов и достижение целей устойчивого развития
• Материалы для производства WAAM
• Скорость, экономичность и качество
• Свойства материалов WAAM и отраслевые стандарты
• WAAM и роботизированная сварка
• Программное обеспечение для WAAM
• Проблемы технологии WAAM
• Оборудование WAAM

Изогнутый, блестящий стальной мост, напечатанный на 3D принтере, был перекинут через канал Амстердама в 2021 году, и внезапно мир обращает внимание на новую технологию производства металла, называемую аддитивным производством проволочной дуги или WAAM. С тех пор интерес к ней растет.

Этот метод 3D печати на самом деле уже много лет используется в тяжелой промышленности и аэрокосмической отрасли. В 1970-х годах он назывался фасонной сваркой, но с тех пор прошло много времени. Сегодня на него смотрят как на способ, с помощью которого обрабатывающая, тяжелая, оборонная и аэрокосмическая промышленность могут производить крупные металлические детали с затратами, меньшими, чем при традиционной ковке, отливке или механической обработке. Это также может быть решением проблем с перегруженными промышленными цепочками поставок, давлением рынка на инновации, целями устойчивого развития и более быстрой доставкой ремонта и запасных частей.

Сегодня мы рассказываем о технологии WAAM, ее сильных сторонах и проблемах, а также новейших областей применения.

Что такое WAAM

При аддитивном производстве WAAM в качестве материала используется металлическая проволока, а в качестве источника энергии - электрическая дуга, аналогичная сварке. Электрическая дуга расплавляет проволоку по мере того, как роботизированная рука наносит слой за слоем на область печати. Как и при сварке, инертный газ предотвращает окисление и улучшает или контролирует свойства металла.

Процесс позволяет как создавать новые изделия, так и ремонтировать существующие объекты. При этом не требуется демонтировать опорные конструкции, а готовые детали при необходимости можно подвергнуть механической обработке с ЧПУ с соблюдением жестких допусков или просто отполировать поверхность. Как правило, печатные детали подвергаются термической обработке для снятия любых остаточных напряжений.

Технология WAAM основана на хорошо зарекомендовавших себя методах и результатах сварки материалов. Хотя WAAM использует сложное программное обеспечение для управления набором переменных в процессе, ее схожесть с известным методом сварки привлекает к этой технологии все больше пользователей из разных отраслей.

Иногда производители называют WAAM по-другому, поскольку компании в этой области стремятся продвигать свои технологии выше конкурентов. Однако методы, в которых используется лазер или электронный луч с металлической проволокой вместо электрической дуги, являются другой технологией, относящейся к той же категории направленного энергетического осаждения (DED) 3D печати.

Преимущества технологии WAAM

WAAM считается наиболее экономичным вариантом среди технологий DED, поскольку в нем могут использоваться существующие роботы для дуговой сварки и источники питания, а также используются легкодоступные сварочные материалы. Электродуговая технология WAAM, включая плазменную дугу, дешевле и безопаснее лазеров и электронных пучков, используемых в других типах DED, и не требует вакуумной камеры для нереакционноспособных металлов. Однако для химически активных металлов, таких как титан или алюминий, все еще необходима среда с инертным газом, обычно состоящая из аргона или азота, чтобы избежать химических реакций с атмосферными газами.

Главное преимущество WAAM - быстрая и экономичная печать больших металлических изделий, но привлекательность технологии заключается не только в этом.

• Подходит для работы с любым свариваемым металлом;
• Отличается высоким объемом и скоростью изготовления деталей;
• Значительно сокращает количество используемого сырья и отходов;
• Использует существующую технологию дуговой сварки;
• Позволяет изготавливать детали очень больших размеров;
• Обеспечивает свободу проектирования и сложную геометрию;
• Основана на дуговой сварке, что делает процесс полностью предсказуемым.

Зачем использовать WAAM

Многие отрасли промышленности имеют потребность в производстве крупных металлических деталей и более быстрой замене изношенных элементов. WAAM используется от оборонной и судостроительной промышленности до архитектуры и аэрокосмической отрасли. Технология применяется для:

• Быстрого изготовления крупных металлических деталей;
• Восстановления деталей тяжелой промышленности;
• Создания уникальных металлических элементов;
• Ремонта пресс-форм и штампов;
• Ремонта или перепрофилирования металлических деталей на месте.

Сокращение отходов и достижение целей устойчивого развития

При использовании собственного 3D принтера WAAM или местной службы печати устраняются проблемы с цепочкой поставок и металлические детали могут быть быстрее введены в эксплуатацию.

Например, если вы работаете в нефтегазовой отрасли и вам срочно нужна уникальная металлическая деталь для замены, WAAM может изготовить деталь почти чистой формы со скоростью около 600 см3 в час. Затем эта форма может быть обработана на станке с ЧПУ с точными допусками.

Австралийский стартап WAAM AML3D сделал именно это, создав 940-килограммовый трубопроводный золотник, используемый в нефтегазовой промышленности. Это был первый в своем роде аппарат, напечатанный на 3D принтере WAAM и прошедший независимые испытания давлением. При длине 850 мм и ширине 450 мм катушка для трубопроводов высокого давления толщиной 41 мм была напечатана в соответствии со строгим и недавно выпущенным стандартом Американского института нефти 20S и соответствовала всем критериям приемлемости для испытаний. Компонент также прошел стандартные для отрасли испытания под высоким давлением.

Доказано, что технология WAAM сокращает время изготовления деталей на месяцы, но другими важными характеристиками технологии являются экономия материалов и экологичность. Технология производства WAAM создает деталь, близкую к конечным размерам, используя только необходимый материал, что приводит к очень небольшому количеству отходов по сравнению с ковкой или механической обработкой с ЧПУ. Это особенно важно при использовании дорогостоящих материалов, таких как титан.

Материалы для производства WAAM

Металлы, наиболее часто используемые в WAAM сегодня, включают:

• Титан (TI-6Ai-4V, класс 5, класс 23);
• Стали (мартенситная марка 250, дуплексная 2205, 2507, мартенситная 410, аустенитная 420);
• Нержавеющая сталь (316L);
• Алюминий (2319, 4043, 5183, 5356, 5087);
• Никелевые сплавы (Inconel 625 и 718, FeNi36 (INVAR), NiAiCu (NAB).

С ростом интереса к WAAM расширяется и выбор материалов. Например, поставщик материалов Alloy Wire International предлагает широкий ассортимент специальных аэрокосмических сплавов, включая Monel, Nimonic, Nitronic, Waspaloy и Phynox, и расширяет свое предложение более чем на 60 различных материалов.

Скорость, экономичность и качество

Технология 3D печати WAAM позволяет создавать уникальные формы и заливки, невозможные при производстве методом ковки. Поскольку для этого не требуются формы, штампы или инструменты, каждое изделие может быть индивидуализировано. Это значительно снижает затраты на создание уникальных запасных частей, небольших партий деталей и даже художественных деталей, таких как архитектурные кронштейны балки.

Как в случае с другими технологиями 3D печати, с помощью WAAM инженеры могут взять многокомпонентную систему и трансформировать ее для печати как единое целое, устраняя необходимость в сборке или сварных швах.

Технология WAAM быстрая и экономичная, но как насчет качества? WAAM может похвастаться деталями, не уступающими ковке или превосходящими ее.

Когда речь заходит об экологичности производства металла, WAAM демонстрирует снижение выбросов углерода на 50% и энергопотребления на 40% по сравнению с ковкой, согласно исследованию 2023 года, сравнивающему WAAM с ковкой конкретного титанового компонента. Самая большая разница заключается в количестве отходов: количество отработанного материала сокращается на 55%.

Свойства материалов WAAM и отраслевые стандарты

Один из способов определить, предназначена ли новая технология для более широкого коммерческого применения, - это посмотреть, сколько исследований проводится в области ее свойств и процессов. WAAM освещает научные журналы огромным объемом проводимой работы по ее квалификации и оптимизации. Только за последние два года можно найти более 1000 исследований, посвященных технологии WAAM, поскольку она относится к конкретным металлам, таким как нержавеющая сталь или титан, или к свойствам металла, таким как прочность или коррозия.

Детали WAAM подходят для использования в нескольких регулируемых отраслях промышленности, где существуют сертификаты и стандарты, включая Американский институт нефти, Регистр Ллойда, Институт сварки, Американское общество инженеров-механиков, Bureau Veritas Marine & Offshore, DNV GL и другие.

Последние сомнения относительно свойств материалов технологии были устранены в 2023 году, когда Relativity Space успешно запустила свою ракету Terran 1. Изготовленная на 85% из деталей, напечатанных на 3D принтере, многие из которых были изготовлены на фирменном 3D принтере компании Stargate WAAM, ракета сумела выйти в космос, но в конечном итоге не смогла выйти на орбиту. Тем не менее, инженерный подвиг демонстрирует потенциал производства WAAM и его способность выдерживать даже самые экстремальные условия.

Детали, произведенные с помощью WAAM, отличаются высокой плотностью и прочными механическими свойствами. Поскольку исходное сырье для проволоки уже является плотным материалом, в процессе производства образуется небольшая пористость. Одно из исследований 2024 года, проведенных кафедрой металлургии и материаловедения Стамбульского университета Гедик, показало, что детали из нержавеющей стали 316 марки WAAM обладают более высоким пределом текучести и прочности при растяжении, чем литые детали, и более высокой коррозионной стойкостью.

Согласно недавнему исследованию Кая Трейтлера и Фолькера Веслинга, “ключом к пониманию аддитивного производства WAAM является глубокое знание используемых процессов сварки. Различия между аддитивным производством и обычной сваркой основаны на различиях в теплопроводности, которая значительно ниже для тонкостенных конструкций. Это делает управление температурой ключевым фактором для достижения желаемой геометрии детали и свойств материала. ”

WAAM и роботизированная сварка

Возможно, роботизированная сварка и WAAM очень похожи по своим основополагающим элементам. Обе технологии схожи по системе движения (роботизированная рука) и источнику питания. Разница заключается в возможности использовать программное обеспечение для управления большим объемом критических параметров, необходимых для изготовления деталей с требуемыми характеристиками.

Точный контроль нагрева, размера гранул, высоты и ширины слоя, мощности тока, скорости нанесения, движения робота, а также сочетания каждого из этих параметров в зависимости от материала и формы готовой детали - вот история успеха современных станков WAAM.

Программное обеспечение для WAAM

Детали для WAAM разрабатываются в любом программном обеспечении CAD или CAM, а затем импортируются в фирменное программное обеспечение каждого принтера WAAM.

Например, оборудование WAAM3D поставляется с программным обеспечением для ряда процессов: WAAMPlanner выполняет нарезку, стратегию сборки и планирование траектории движения инструмента среди других задач; WAAMCtrl управляет принтером и контролирует процесс сборки; а WAAMSim - это виртуальная среда для обнаружения столкновений и проверки траектории движения инструмента. WAAMCtrl от WAAM3D не только контролирует параметры, но и позволяет отслеживать производственный процесс.

Производитель принтеров WAAM компания Gefertec предлагает модульное программное обеспечение CAM-3DMP для формирования траектории движения инструмента и совместно с Siemens Digital Industries разработала интеграцию для выполнения полной технологической цепочки CAD/CAM на платформе Siemens NX.

Проблемы технологии WAAM

Технология WAAM легко внедряется в традиционное производство, но для успешной интеграции требуется оценивать не только преимущества, но и недостатки технологии. В настоящее время предпринимаются усилия по увеличению скорости и упрощению программного обеспечения, а также проводятся исследования и разработки, направленные на превращение метода WAAM из разового или малосерийного производства в массовое производство.

WAAM не является экономичным выбором для деталей большего объема по сравнению с традиционными методами, потому что после создания ковочной или литейной формы штамповка сотен или тысяч деталей при литье происходит быстрее.

WAAM не может конкурировать с технологиями порошкового наплавления по точности, но она и не рассчитана на это. Для получения жестких допусков используется послепечатная обработка с ЧПУ.

На данный момент WAAM сосредоточена на решении задач, где время и стоимость ковки или литья металла затрудняют цепочки поставок. Поскольку приближение производства к месту необходимости становится все более важным с экономической и экологической точек зрения, например, в нефтегазовой и судостроительной промышленности, WAAM предлагает решение, которое эффективно решает эти задачи.

“Внедрение WAAM - это всего лишь вопрос времени”, - говорит Вэй Я, соучредитель RamLab, производителя принтеров WAAM и исследовательского центра в Роттердаме. “Как и любой другой новой концепции или новому методу, с одной стороны, отрасли потребуется время для установления общих стандартов, регламентов и норм; с другой стороны, людям также потребуется время, чтобы лучше понять технологию, лучше ознакомиться с ней и, в конечном итоге, применить ее на практике”.

Оборудование WAAM

Технология 3D принтера WAAM представлена в широком диапазоне конфигураций, от готовых автономных модулей до систем, дополняющих существующие роботы для дуговой сварки. Оборудование WAAM, стоимость которого обычно составляет сотни тысяч долларов, часто настраивается в соответствии с конкретными потребностями и областями применения.

Один из производителей оборудования, немецкая компания Gefertec называет свою версию WAAM, 3DMP или технологии 3D металлической печати. В серию 3D принтеров она интегрирует технологию дуговой сварки и специально разработанное программное обеспечение CAM с элементами управления от Siemens. Компания заявляет, что любой, кто работает на станке, может сразу же приступить к эксплуатации серии Arc machine.

Новейший и самый большой станок Arc80X был запущен в марте 2024 года. Эта серия может похвастаться увеличенным сборочным пространством, функциями для автоматизированного производства и модулем для работы с титаном.

Дуговые принтеры WAAM оснащены функциями отслеживания температуры с помощью встроенных датчиков, системой локального охлаждения охлаждающим газом, автоматической системой очистки сварочной горелки и отдельным титановым модулем.

Интеграционное партнерство Gefertec с программным обеспечением Siemens NX CAM software позволяет оптимизировать производство и контролировать качество, связанное с технологическими процессами.

Также на рынке представлены и другие производители WAAM оборудования. Например, Enigma производит серию 3D принтеров для электродуговой сварки ArcMan.

Итог

Технология WAAM - это сочетание известного процесса сварки с роботизированными системами и мощным программным обеспечением для получения качественного результата. С развитием технологии и появлением отраслевых стандартов WAAM может прочно войти в производственные процессы различных отраслей.

Наши предыдущие статьи: