e-works数字化企业网  »  文章频道  »  先进制造技术  »  三维打印

电弧增材制造:比激光增材更有发展前景?

2016/11/4    来源:互联网    作者:佚名      
关键字:激光增材  电弧增材  
增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术是基于离散- 堆积原理,由零件三维数据驱动,采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。

    增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动,采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期,尤其适于低成本小批量产品制造,而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品,其快速高效成形的优势越显著,在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景。

    面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求,其零部件逐渐向大型化、整体化发展。增材制造技术无需模具,可直接低成本一体化制造复杂构件,并有望基于增材制造技术在构型能力上的优势,进一步优化现飞行器零部件结构,提高结构效率,实现结构轻量化、高性能化。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节,产品数字化设计、制造、分析高度一体化,能够显著缩短研发周期和研发成本。

    金属增材制造技术按热源类型可分为3类:激光、电子束和电弧。过去20年主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术,通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件,现已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖技术领域部分关键零部件,但由于其原材料、热源特点,金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形,其原材料、时间成本很高,具有诸多不足之处:

    (1)对于激光热源,其成形速率慢、铝合金对激光的吸收率低等;

    (2)对于电子束热源,真空炉体尺寸对构件体积的限制;

    (3)粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。

    基于上述原因,现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性,为了应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求,基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到部分学者关注。电弧增材制造技术(Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM)以电弧为载能束,采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件,该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来,成形零件由全焊缝构成,化学成分均匀、致密度高,开放的成形环境对成形件尺寸无限制,成形速率可达几kg/h,但电弧增材制造的零件表面波动较大,成形件表面质量较低,一般需要二次表面机加工,相比激光、电子束增材制造,电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。

    本文主要介绍电弧增材制造技术现状,分析现阶段该技术研究的不足之处,探讨其可能的发展方向,阐述该技术在大型化、整体化高端航空零部件制造中的应用。

WAAM技术现状

    1 WAAM装备系统:

    1.1 基本硬件构成及特征

    电弧增材制造是数字化连续堆焊成形过程,其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。电弧增材制造三维实体零件依赖于逐点控制的熔池在线、面、体的重复再现,若从载能束的特征考虑,其电弧越稳定越有利于成形过程控制,即成形形貌的连续一致性。因此,电弧稳定、无飞溅的非熔化极气体保护焊(TIG)和基于熔化极惰性/活性气体保护焊(MIG/MAG)开发出冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)技术成为目前主要使用的热源提供方式。

    作为由点向三维方向扩展的运动执行机构,其位移与速度、位置的重复定位精度、运动稳定性等对成形件尺寸精度的影响至关重要,目前使用较多的是数控机床机器人。数控机床多作为形状简单、尺寸较大的大型构件成形,机器人具有更多的运动自由度,与数控变位机配合,在成形复杂结构及形状上更具优势,但基于TIG的侧向填丝电弧增材制造因丝与弧非同轴,如果不能保证送丝与运动方向的相位关系,高自由度的机器人可能并不适合,所以机器人多与MIG/MAG、CMT、TOP-TIG等丝弧同轴的焊接电源配合搭建电弧增材成形平台。在国内外电弧增材相关研究机构的报道中,所采用的成形系统如表1所示。相比TIG、MIG/MAG、PAW等,CMT具有低热输入、无飞溅等特点。此外,其送丝运动与熔滴过渡过程可进行数字化协调,在物质输入方面具有更高的可操控性,可能会成为将来电弧增材制造的主要热源方式。

表1 基本硬件构成

    总体而言,电弧增材制造载能束具有热流密度低、加热半径大、热源强度高等特征,成形过程中往复移动的瞬时点热源与成形环境强烈相互作用,其热边界条件具有非线性时变特征,故成形过程稳定性控制是获得连续一致成形形貌的难点,尤其对大尺寸构件而言,热积累引起的环境变量变化更显著,达到定态熔池需要更长的过渡时间。针对热积累导致的环境变化,如何实现过程稳定性控制以保证成形尺寸精度是现阶段电弧增材制造的研究热点。基于视觉传感系统的焊接质量在线监测与控制技术首先被移植应用于该领域,并取得了一定成果。

    1.2 成形过程稳定性硬件系统

    电弧增材成形采用逐层累加的方式构建三维实体零件,保证形状、尺寸精度,需要单层成形尺寸与三维数字化模型建立的分层切片数据一致,但在实际成形过程中,热积累作用导致熔池体系热边界环境非线性时变,故实现自动化电弧增材制造系统除了以上的基本成形硬件条件外,还需要能够对每一沉积层的表面形貌、质量及尺寸精度进行在线监测和控制。

    WAAM增材制造是以高温液态金属熔滴过渡的方法通过逐层累积的方式成形的,成形过程中随着堆焊层数的增加,成形件热积累严重、散热条件变差,以至于熔池凝固时间增加,熔池形状难于控制,尤其是在零件边缘,由于液态熔池的存在,边缘形貌与成形尺寸的控制更加困难,即热积累作用导致熔池体系热边界环境非线性时变,故实现自动化电弧增材制造系统除了以上的基本成形硬件条件外,还需要能够对每一沉积层的表面形貌、质量及尺寸精度进行在线监测和控制。在焊枪处安装红外温度传感器的被动反馈式层间温度控制方式,强烈依赖于人为目标参数的设置,而直接以熔覆层的形貌尺寸特征作为信号源,通过实时在线监测尺寸信息,实现反馈调节可能更可取。如图1所示,美国Tufts大学Kwak等建立了利用MIG焊枪进行堆焊成形,等离子枪在线热处理,通过两套结构光传感器对熔覆层形貌特征进行监测,以及一套红外摄像机用于成形件表面温度在线监测的双输入输出闭环控制系统,以焊速和送丝速度作为控制变量,熔覆堆高和层宽作为被控变量,实现对成形过程中成形尺寸的实时闭环控制。

图1 基于MIG的WAAM成型与监测控制系统

图1 基于MIG的WAAM成型与监测控制系统

责任编辑:马倩
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
兴趣阅读
相关资料
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐