增材制造技术(Additive Manufacturing, AM)也被称为“实体自由制造” 、 “3D打印技术”等。该技术的最大优势是制造过程柔性化程度高,不再依赖于传统加工所需的刀具、模具等,可以快速而精确地制造出任意形状复杂的零件,并在一定程度上减少了加工工序,缩短了产品的研制周期,而且形状越复杂、原材料附加值越高的产品,其快速高效成型的优势越显著。经过近一个世纪的发展,增材制造技术实现了有机材料、无机非金属材料、复合材料、金属材料产品的快速制造,金属增材制造是最前沿和最具潜力的技术之一。金属增材制造技术按热源分类可分为:激光增材制造、电弧增材制造、电子束增材制造等技术,原材料一般有丝材和粉末两种形式。与其他金属增材制造工艺相比,电弧增材制造具有沉积效率高(600- 1200cm3 /h,约为激光熔覆的 5-10 倍)、材料利用率高(接近 100%)、装备和材料制造成本低等优势,尤其适用于大型复杂构件的整体增材制造。
电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)是一种采用电弧或等离子弧作为热源将金属焊丝熔化,在程序或软件控制下采用逐层熔覆原理,根据三维数字模型由线-面-体制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯件的先进数字化制造技术。电弧增材制造技术成型的零件由全焊缝金属构成,化学成分均匀、致密度高,自由的成型环境对零件尺寸几乎无限制,成型效率可达几 Kg/h;较传统的铸造、锻造技术和其他增材制造技术具有一定的先进性,与锻造、铸造工艺相比,它无需模具,整体制造周期短,柔性化程度高,能够实现数字化、智能化和并行化制造,且比整体锻造件的强度更高,韧性更好。同时在逐层堆积过程中,零件会经过多次加热,经历多次淬火和正火,可以消除大型铸件中存在的不易淬透、宏观偏析、强度和韧性的各向异性等问题。
电弧增材制造技术也存在很多不足,比如:堆积过程热输入量的累积导致零件的形状及边界难以控制。这会制约 WAAM 零件的表面质量、尺寸精度及力学性能。将其与粉末床预铺粉选区熔化(Powder-bed)、同步送粉(Blown-powder)、高能束丝材熔融沉积(Hi.Dep.Wire-fed)三种增材制造技术对比,WAAM 打印效率高、材料利用高、打印工件尺寸灵活等优点,如图所示。
几种工艺方法优缺点比较
随着航空航天、国防军事等重要技术领域对昂贵金属零件的成本、周期、性能和精度要求越来越高,WAAM 由于其高度柔性和应变能力在军事、航空航 天和汽车等市场展示了优越性。电弧增材制造技术因可直接成型金属零件,已经成为国内外高校、研究所及大型企业研究的热点。