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3D新聞

低至1000美元!電弧增材制造3D打印機(jī)成本刷新紀(jì)錄

星之球科技 來(lái)源:榮格2022-01-19 我要評(píng)論(0 )   

近期,美國(guó)加州州立大學(xué)和土耳其埃斯基謝希爾奧斯曼加齊大學(xué)的工程師聯(lián)合開發(fā)了一種電弧增材制造(WAAM)3D打印機(jī),制造成本只需1000美元。通過(guò)將氣體保護(hù)鎢極電弧焊(G...

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

通過(guò)將氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW)技術(shù)集成到類似熔融沉積建模(FDM)龍門裝置中,該研究團(tuán)隊(duì)制造出一種不依賴復(fù)雜機(jī)械臂的3D打印設(shè)備,價(jià)格合理且開源,最初的測(cè)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(jié)合適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)就能實(shí)現(xiàn)在GTAW和WAAM工藝下加工金屬合金,工作量更少,成本更低,”該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中說(shuō)。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。

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■原型龍門式WAAM 3D打印機(jī)


采用氣體鎢極電弧焊

特別是在航空航天和汽車制造領(lǐng)域,金屬3D打印技術(shù)如粉末床熔融(PBF)和直接能量沉積(DED),對(duì)于傳統(tǒng)減材工藝已經(jīng)顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。例如,使用PBF工藝可以生產(chǎn)出具有內(nèi)部通道和高分辨率特征的復(fù)雜部件。但此類系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜。

同樣,工程師們承認(rèn)與DED打印設(shè)備可以構(gòu)建比較大型的部件且組件維修也相對(duì)簡(jiǎn)單,但該技術(shù)仍依賴昂貴的激光器和機(jī)器人技術(shù),并且生產(chǎn)出的零件還需要大量的后處理。

在現(xiàn)有傳統(tǒng)金屬3D打印工藝中,該團(tuán)隊(duì)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(shí),該技術(shù)可直接配合DED技術(shù)使用,由于價(jià)格合理的半自動(dòng)送絲系統(tǒng)和廣泛的合金兼容性特點(diǎn),讓此類設(shè)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(jiǎn)單,其中參數(shù)設(shè)置不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出有缺陷的零件或?qū)е掳踩珕?wèn)題。對(duì)此,美國(guó)與土耳其組成的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種降低WAAM設(shè)備制造成本的新方法,就是構(gòu)建一個(gè)3軸配置機(jī)器。

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■WAAM 3D打印機(jī)組件示意圖


WAAM 3D打印服務(wù)

該團(tuán)隊(duì)的GTAW系統(tǒng)由微控制器、TIG焊機(jī)和特殊設(shè)計(jì)的部件(例如外框上的定制自動(dòng)送料器)組成,其外觀類似于許多商用笛卡FDM 3D打印機(jī)。然而,該團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有購(gòu)買設(shè)備的支架,而是將它與通過(guò)Stratasys U-plus機(jī)器生產(chǎn)的40多個(gè)ABS零件固定在一起。

過(guò)程中,研究人員發(fā)現(xiàn)能夠?qū)⒔ㄔ斐杀究刂圃?000美元左右,不包括用于維持和編程的氣體容器和計(jì)算機(jī)。一旦他們建立了原型就對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,在測(cè)試中證明它能夠接收來(lái)自開源 Arduino Mega微控制器的指令,并產(chǎn)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(wèn)題,例如由于進(jìn)給率波動(dòng)和割炬過(guò)熱導(dǎo)致的零件軟化、表面波紋和形狀變細(xì)。盡管團(tuán)隊(duì)已經(jīng)引入了多個(gè)修復(fù)程序解決上述問(wèn)題,但他們承認(rèn)割炬、焊層和送絲機(jī)之間的角度仍然需要不斷調(diào)整,而零件異型仍然是一個(gè)待解決的問(wèn)題。

展望未來(lái),工程師們表示他們的機(jī)器的一些問(wèn)題可以通過(guò)安裝一個(gè)額外的惰性氣體屏蔽室來(lái)克服,以防止金屬受到大氣干擾。鑒于其可以自動(dòng)運(yùn)行,他們認(rèn)為盡管生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極明亮和熾熱的電弧,但對(duì)于日常用戶來(lái)說(shuō)可以安全使用。

“在這項(xiàng)研究中,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種低成本電弧增材制造系統(tǒng),為開發(fā)和修復(fù)高價(jià)值金屬部件提供了一種替代解決方案,”該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道,“這種設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)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/>

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■通過(guò)WAAM 3D打印機(jī)生產(chǎn)出合金Inconel 718的30層墻結(jié)構(gòu)


WAAM的其他應(yīng)用

在過(guò)去兩年中,WAAM 3D打印超堅(jiān)固部件的能力越來(lái)越多地在海事、國(guó)防和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中受到考驗(yàn)。2021年底機(jī)器人金屬3D打印公司MX3D透露,這家公司已經(jīng)使用該技術(shù)為歐洲航天局的月球定居點(diǎn)原型創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的“地板” 。

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

同樣在其他海上應(yīng)用中,WAAM已被法國(guó)海軍集團(tuán)等公司用于制造空心螺旋槳葉片演示器。在不到100小時(shí)內(nèi)由不銹鋼制成,重達(dá)300公斤的打印件成功地通過(guò)了疲勞和腐蝕測(cè)試,其流體動(dòng)力學(xué)特性也通過(guò)了數(shù)值模擬評(píng)估。

研究人員的發(fā)現(xiàn)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(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,該論文由Miguel Navarro、Amer Matar、Seyid Fehmi Diltemiz和Mohsen Eshraghi合著。


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