电弧增材制造 (WAAM) 的优势、劣势以及国外主要厂商

电弧增材制造 (WAAM) 是定向能量沉积 (DED) 3D 打印的一种。DED 技术是金属3D打印技术，可以通过安装在多轴臂上的喷嘴沉积粉末或线材形式的金属材料，使用激光或电子束或等离子体聚焦能量源料。WAAM 受电弧焊接启发，使用电弧作为热源。

WAAM 技术基于使用机器人系统的各种自动化焊接技术的原理，使用金属惰性气体 (MIG) 或金属活性气体 (MAG)、钨极惰性气体 (TIG) 或等离子弧焊丝 (PAW)。多种金属都与 WAAM 兼容，包括钛、铝、镍和钢合金等。

△Naval Group 的 3D 打印螺旋桨

WAAM 3D 打印的应用
与其他 DED 工艺一样，WAAM 通常用于修复设备和制造不再制造的零件，以维护旧机器。该技术也可用于制造完整的零件。WAAM 特别用于航空、航天、汽车、能源和国防领域。它用于制造原型、模具、单个零件和小系列。尽管特别适合制造大型金属零件，但其在大规模生产中的应用仍在审查中。

●在航空航天领域，Naval Group 使用 WAAM 技术为 Andromède 号扫雷船制造螺旋桨。

●在能源领域，Vallourec使用 WAAM 生产了第一个密封环，确保 EDF Hydro 水力发电装置的安全，该密封环直径一米，重 100 公斤。

●在机器人领域，MX3D 利用WAAM技术生产结构钢连接器。

●MX3D 使用 WAAM 制造石油和天然气行业的管道连接器，以及大型机器的齿轮和定制组件。

●MX3D 使用 WAAM 工艺在阿姆斯特丹建造了一座桥梁！

●Relativity Space使用这项技术来建造其Terran 1光发射器。

△来自日本领先建筑公司之一的连接器

WAAM 3D 打印具有许多优势。首先，打印速度高，可以节省大量的生产时间。成本也低于使用粉末床熔融技术的机器，特别是选择性激光熔化（SLM）。WAAM 技术还因其生产超大零件的能力而脱颖而出，有多种兼容金属可供选择。

技术的局限性
WAAM 流程也有其局限性，与粉末床融合技术相比，零件的细节和尺寸精度的再现效果较差。使用 WAAM 技术制造的零件可能存在内部孔隙等缺陷，这些缺陷会降低零件的机械性能，对于铝制零件尤其如此。

残余应力是 WAAM 技术可能出现的另一个异常现象，会可能导致零件尺寸或形状变形，特别是通过卷曲、翘曲或分层。所有这些现象的特点是打印部件各层变形，无论是顶部、底部，还是分层情况下的所有层。这些变形是由极高的工作温度和材料的技术性质引起的。当对零件施加力时，它们会导致零件支撑不良。

△Vallourec克在发电厂使用 WAAM 技术

为了限制这些缺陷的发生，有必要了解所有 WAAM 参数，以便尽可能准确地设置它们。这将确保一致的熔融金属沉积以及恒定的热量。放卷速度、进给速度、电流、电压、层厚、保护气体流量和珠间距都是确保工艺顺利进行的重要因素。

然而，也有一些技术解决方案可以缓解这些异常情况。这些包括机械加工硬化或轧制。该方法包括在冷却阶段用滚筒对焊道施加压力，这减少了孔隙率。为了减少残余应力，可以对材料进行预热。需要注意，某些材料和合金比其他材料和合金更容易破裂或分层，例如铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金。

与其他增材制造技术一样，WAAM也需要大量的精加工后处理，后处理采用传统的机械加工工艺进行。在一些 WAAM 应用中，可以在打印阶段使用第二个机器人进行加工。

WAAM 3D 打印机制造商

使用 WAAM 技术的 3D 打印机制造商包括 Prodways（其 3D 打印机采用 WAAM-TIG 工艺）、Norsk Titanium 及其内部快速等离子沉积 (RPD™) 工艺、GEFERTEC、MX3D、WAAM3D 和 Lincoln Electric 等。

●AML3D

△AML3D的机械臂Arcemy WA(A)M 3D打印机

AML3D 是一家成立于 2014 年的澳大利亚 WAAM 3D 打印机制造商。该公司的 Arcemy 3D 打印机生产各种金属和合金的大型工业产品，包括用于航空航天、国防和海洋工业的钛、铝、镍、不锈钢和碳钢。Arcemy 的打印体积为 1,500 x 1,500 x 1,500 毫米。Arcemy 结合了焊接科学、机器人自动化、材料工程和专有软件，通过逐层沉积熔融焊丝来生产零件。AML3D 将其 WAAM 技术称为“WAM”，或者简称为“线弧制造”。与 WAAM 一样，WAM 将电弧与焊丝相结合作为原料，生产中型至大型自由形状零件或维修。

●WAAM3D

△WAAM3D 的 RoboWAAM 打印机

WAAM3D 成立于 2018 年，源自英国克兰菲尔德大学的研究。WAAM3D 的 RoboWAAM 系统采用 Kuka 机器人运动系统、匹配材料和工艺要求的电源选择、带有传感器套件的末端执行器以及专有软件。RoboWAAM 的打印体积为 2,000 x 2,000 x 2,000 毫米。整个系统可以通过 WAAMCtrl 软件包从操作员桌面进行控制，该软件包补充了 WAAMPlanner 的路径规划和参数分配功能。RoboWAAM 还拥有各种屏蔽解决方案、具有过滤和再循环功能的自动烟雾管理系统、惰性气氛自动净化以及附加安全系统。

●Gefertec

△Gefertec Arc60x WAAM 金属 3D 打印机

总部位于德国的 Gefertec 将弧焊技术和专门开发的带有西门子控制的 CAM 软件集成到一系列 3D 打印机中。该公司表示，任何使用机床的人都可以立即操作 Arc 机床系列。专为 WAAM 工艺设计的弧形机 Arc40X 和 Arc60X 有 3 轴和 5 轴版本，可打印重达 3,000 公斤、最大尺寸为 3,000 x 3,000 x 3,000 毫米的组件。目前大约有 30 种合金（铝、钢、镍基、钛）可供选择，且工艺可靠。Arc WAAM 打印机具有通过集成传感器进行温度跟踪、通过冷却气体进行局部冷却的冷却系统、自动焊枪清洁系统和独立的钛模块。Gefertec 与西门子 NX CAM 软件的集成合作伙伴关系可简化制造和过程相关的质量监控。

●Norsk Titanium

△Norsk Titanium

总部位于挪威的 Norsk Titanium 将其 WAAM 工艺称为快速等离子沉积 (RPD)，因为它使用等离子弧焊在惰性氩气环境中形成钛丝。Norsk 专注于钛合金，主要用于航空航天和国防工业，其平台的精度可缩短加工时间。该公司已交付经美国联邦航空管理局 (FAA) 批准的钛结构件，并表示与传统制造方法相比，其购买飞行比提高了 50% 至 75%。

Norsk Titanium最新的 WAAM 打印机是 Merke IV。目前，该公司最先进的 Merke IV 机器的生产范围为 900 x 600 x 300，新一代机器将具有更大的生产范围。生产能力包括挪威的四台机器和美国的九台机器，以服务其当前的客户群。

●MX3D

△MX3D最初使用非封闭式机械臂，但后来逐渐转向惰性环境 3D 打印机

荷兰公司 MX3D 提供 M1 WAAM 打印机。与在阿姆斯特丹打印金属桥的系统不同，M1 是一个封闭式系统，配备 8 轴 ABB 机器人 WAAM 设置、Fronius GMAW/CMT 焊接机和 MX3D 控制系统软件。M1 还具有可互换的工具附件，可将现有设备转变为混合增减系统。MX3D 软件 MetalXL 可管理刀具路径生成并将设计转换为机器指令和打印策略。机器人运动学控制将所有编程转化为物理运动。

●Addilan

△Addilan

西班牙 WAAM 打印机初创公司 Addilan 于 2018 年推出了第一台商用 WAAM 等离子技术机器，此后将其技术瞄准了航空航天、国防和海洋工业。目前，其网站上列出了两款混合打印机：Addilan Arclan P1200-4X 和 Addilan Arclan 1000-5x。虽然最新添加的技术细节仍有待分享，但 Arclan P1200-4x 拥有自己的 CNC、闭环控制系统、惰性室以及高达 6 公斤/小时的沉积速率。打印机经可最大限度地提高钛、超合金和铝合金零件的 WAAM 性能，配备等离子炬和惰性室，该公司表示可提高金属性能。

●RamLab

△RamLab为其机器提供监控系统

荷兰的 RamLab 现已发展到提供打印服务和 MaxQ WAAM 监测和控制系统。MaxQ 由传感器和软件套件组成，可与您现有的松下焊接机器人集成，有效地将其转变为 WAAM 机器。MaxQ 可实现 WAAM、机器人焊接和维修的生产、质量检验和认证流程自动化。如果您没有自己的硬件，RamLab 与 Valk Welding 合作，为 MaxQ 提供标准化和定制设计的 Panasonic 焊接系统。

MaxQ 系统具有异常检测和警报、焊接参数分析（包括电流、电压、速度、送丝速度、气体流量等）以及用于评估和认证的自动数据记录和报告功能。在 RamLab，Autodesk 的软件产品 PowerShape 和 PowerMill 用于创建 CAD 和 CAM 文件。PowerShape 用于（重新）设计 WAAM 组件，而 PowerMill 用于刀具路径规划和仿真。使用 PowerMill 制作的刀具路径可以使用网络浏览器直接上传到 MaxQ 应用程序，然后开始生产。