3D打印低成本的线加弧沉积增材工艺

　　自从3D打印技术出现以来，已经开发了许多技术，但最近利用熔化焊作为沉积源的增材技术为制造能力提升开辟了广阔空间。

　　增材工艺使用各种熔化技术来实现，包括电子束和激光，但采用钨极惰性气体保护焊作为能源的线和弧增材制造（WAAM）目前研究较为活跃。WAAM技术开发的主要动力是源于材料和成本的减少。机体制造是一个特定的增材制造应用领域，机翼大梁制造一般采用机加或锻件，但会损失50%原材料；另一个起落架生产领域的应用还在考虑中，估计采用3D打印能够节省成本70%。

　　WAAM工艺已经用于BAE系统公司生产“狂风”GR4战斗机1.2m长钛合金机翼大梁。尽管电子束和激光技术应用已经取得巨大成功，但设备采购和运营成本高，而使用标准弧焊接法是更实用方法。早期的研究主要是克兰菲尔德大学针对罗罗航空发动机的应用，研究人员开发了线+弧沉积工艺检验铬镍铁、钛、铝和各种镍合金的使用，后转为机体应用研究。虽然激光和粉末方法对快速原型或小型复杂零件很有效，但局限于它的速度和尺寸。相反，克兰菲尔德开发的工艺技术沉积速度高。

　　线+弧沉积工艺目前沉积速度的目标是10kg/h钛合金，而激光+粉末方法一般为0.1kg/h，而且这种工艺避免了材料晶粒之间没熔融造成的不完全固结的风险。增材线+弧系统还能够生产几米的零件，并简化生产单个零件的线性交叉件工艺。

　　克兰菲尔德的焊接工程研究中心的主要项目之一将该技术进一步推进。项目始于2007，投资来自于克兰菲尔德大学创新制造研究中心和15家工业合作伙伴。该想法利用一套集成了机器人的增材制造系统简化成品工艺。

　　增材制造对某些机体结构零件提供了诸多优势，如大量减少材料浪费，尤其是生产异构零件时，以及快速生产种类繁多的原型零件。还有一个关键好处是可考虑非常规设计，否则将由于制造或成本限制不可用，例如复杂或独特的几何形状的零件。

　　许多合金只通过使用焊接炬惰性气体罩作为保护就可用于WAAM工艺。但是，某此材料易与残余的氧发生反应，并导致熔化区和表面氧化。钛合金是特别敏感的，要求额外惰性保护。电子束工艺由于在真空中进行可确保不被氧化，但对于弧焊来说成本太高。

　　Huntingdon Fusion Techniques（HFT）公司与克兰菲尔德团队通过开发柔性外罩解决了保护问题。这些柔性外罩能与焊接设备和机器人相适应，在全过程中提供惰性气体保护。由于该外罩概念已经引入20多年了，因此在开发中有相当大的优势，HFT公司多年来在开发这些外罩领域处于领先地位。这些创新产品相对于真空和手套箱（真空设备用）备选方案有巨大吸引力，极大减少成本，占地空间少，并且能够生产达27m3各种尺寸产品。

　　半透明材料和光学净片玻璃板的组合使用取决于客户的检视要求。制造过程中一直要使用紫外光稳定工程高分子材料，材料厚度名义尺寸为0.5mm。主要大型入口要配备不漏的拉链，并且操作员手套要提供额外的入口点。检修板上带有焊炬和电子引线及冷却水供应的进口。每个护罩有吹扫气体进口和排气阀。如果必要，用户可以现场修理，并供应一套相应设备。从尺寸大小来看，HFT金属手套箱的成本变化少于10%，而金属真空系统成本变化仅2%，可按客户要求制造不同尺寸和形状。标准型号从0.3~3.0m3不等。护罩重量很小，所占空间也小，1.25m直径系统的占地少于0.2m3，重量仅为8kg，可以很容易移动和储存，可以几个操作员同时使用。大型零件可以采用光学透明紫外稳定工程高分子材料制造。

　　克兰菲尔德焊接工程研究中心拥有一台最大的设备，体积27m3，足够适应所有工作、焊接设备，甚至可编程机器人系统。研究团队通过在高纯氩气进入之前使用排空外罩，确保焊接钛合金的最优气体环境，这使得运行中氧含量低于100ppm (0.01%)，该氧浓度足以防止钛合金在焊接和冷却时氧化。