近期，美國加州州立大學和土耳其埃斯基謝希爾奧斯曼加齊大學的工程師聯合開發(fā)了一種電弧增材制造（WAAM）3D打印機，制造成本只需1000美元。

通過將氣體保護鎢極電弧焊（GTAW）技術集成到類似熔融沉積建模（FDM）龍門裝置中，該研究團隊制造出一種不依賴復雜機械臂的3D打印設備，價格合理且開源，最初的測試表明與碳鋼和合金Inconel 718材料兼容。

“與昂貴的粉末床系統(tǒng)相比，這種加工系統(tǒng)結合適當的工藝參數就能實現在GTAW和WAAM工藝下加工金屬合金，工作量更少，成本更低，”該團隊在他們的論文中說。目前，系統(tǒng)可以加工的合金材料包括鈦、鋁、鎳和鈷基超合金以及低合金鋼。

■原型龍門式WAAM 3D打印機

采用氣體鎢極電弧焊

特別是在航空航天和汽車制造領域，金屬3D打印技術如粉末床熔融（PBF）和直接能量沉積（DED），對于傳統(tǒng)減材工藝已經顯現出優(yōu)勢。例如，使用PBF工藝可以生產出具有內部通道和高分辨率特征的復雜部件。但此類系統(tǒng)往往價格昂貴且操作復雜。

同樣，工程師們承認與DED打印設備可以構建比較大型的部件且組件維修也相對簡單，但該技術仍依賴昂貴的激光器和機器人技術，并且生產出的零件還需要大量的后處理。

在現有傳統(tǒng)金屬3D打印工藝中，該團隊特別推薦GTAW工藝，這是一種在惰性氣氛中使用電弧將線材原料熔化成所需形狀的方法。在增材制造系統(tǒng)使用這種工藝時，該技術可直接配合DED技術使用，由于價格合理的半自動送絲系統(tǒng)和廣泛的合金兼容性特點，讓此類設置在研究界普遍采用。

然而盡管有這些好處，但開發(fā)有效的低成本GTAW增材制造系統(tǒng)仍不簡單，其中參數設置不當可能會導致生產出有缺陷的零件或導致安全問題。對此，美國與土耳其組成的研究團隊提出了一種降低WAAM設備制造成本的新方法，就是構建一個3軸配置機器。

■WAAM 3D打印機組件示意圖

WAAM 3D打印服務

該團隊的GTAW系統(tǒng)由微控制器、TIG焊機和特殊設計的部件（例如外框上的定制自動送料器）組成，其外觀類似于許多商用笛卡FDM 3D打印機。然而，該團隊并沒有購買設備的支架，而是將它與通過Stratasys U-plus機器生產的40多個ABS零件固定在一起。

過程中，研究人員發(fā)現能夠將建造成本控制在1000美元左右，不包括用于維持和編程的氣體容器和計算機。一旦他們建立了原型就對其進行測試，在測試中證明它能夠接收來自開源 Arduino Mega微控制器的指令，并產生電流為5-150安培的鎢弧。

然而，GTAW 增材制造系統(tǒng)也遇到了各種問題，例如由于進給率波動和割炬過熱導致的零件軟化、表面波紋和形狀變細。盡管團隊已經引入了多個修復程序解決上述問題，但他們承認割炬、焊層和送絲機之間的角度仍然需要不斷調整，而零件異型仍然是一個待解決的問題。

展望未來，工程師們表示他們的機器的一些問題可以通過安裝一個額外的惰性氣體屏蔽室來克服，以防止金屬受到大氣干擾。鑒于其可以自動運行，他們認為盡管生產過程中會產生極明亮和熾熱的電弧，但對于日常用戶來說可以安全使用。

“在這項研究中，我們設計了一種低成本電弧增材制造系統(tǒng)，為開發(fā)和修復高價值金屬部件提供了一種替代解決方案，”該團隊在他們的論文中總結道，“這種設備的應用場景涉及維修和制造航空、汽車和醫(yī)療行業(yè)中的配件、植入物和熱交換器等部件?！?br/>

■通過WAAM 3D打印機生產出合金Inconel 718的30層墻結構

WAAM的其他應用

在過去兩年中，WAAM 3D打印超堅固部件的能力越來越多地在海事、國防和實驗基礎設施應用中受到考驗。2021年底機器人金屬3D打印公司MX3D透露，這家公司已經使用該技術為歐洲航天局的月球定居點原型創(chuàng)造了一個獨特的“地板” 。

重型設備制造商Huisman宣布已將該技術部署到3D打印四個起重機吊鉤上。每張大幅面印刷品的尺寸為1.7m×1.3m，重達1700公斤，能夠舉起高達350公噸的重量物件。

同樣在其他海上應用中，WAAM已被法國海軍集團等公司用于制造空心螺旋槳葉片演示器。在不到100小時內由不銹鋼制成，重達300公斤的打印件成功地通過了疲勞和腐蝕測試，其流體動力學特性也通過了數值模擬評估。

研究人員的發(fā)現在他們題為“低成本電弧增材制造系統(tǒng)的開發(fā)”的論文中進行了詳細說明，該論文由Miguel Navarro、Amer Matar、Seyid Fehmi Diltemiz和Mohsen Eshraghi合著。