Wire Arc Additive Manufacturing: ekonomiczny druk 3D do metalu

184

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) cieszy się dużym zainteresowaniem branży. Proces produkcji oparty na nakładaniu warstw przy użyciu spawania łukowego zapewnia dużą elastyczność w zakresie geometrii. WAAM przewyższa rentownością inne procesy produkcji addytywnej z metalu, zwłaszcza w przypadku prototypów i małych serii. Czynnikiem decydującym o jakości wytwarzanych elementów jest proces spawania: CMT firmy Fronius jest jednym z najlepszych pod tym względem.

Produkcja addytywna polega na warstwowym nakładaniu materiału aż do uzyskania ostatecznej formy elementu. Najbardziej znanym przykładem zastosowania tej metody jest druk 3D. Również w opartym na spawaniu łukowym procesie WAAM metalowe elementy są budowane warstwa po warstwie przy użyciu stapianego drutu elektrodowego. Takie metody produkcji są korzystne w szczególności w przypadku złożonych geometrii elementu. Dzięki temu swoboda projektowania jest niemal nieograniczona. Ponadto ta technologia pozwala na wytwarzanie elementów w krótkim czasie przy niewielkim koszcie — to istotne zwłaszcza w przypadku prototypów i małych serii. Czas obróbki, zużycie narzędzia oraz strata materiału związana ze skrawaniem — zwłaszcza w przypadku typowego frezowania elementu spawanego z jednego bloku — oznaczają dodatkowe nakłady.

Co to jest WAAM?

Istnieją różne metody produkcji generatywnej z metalu. Zasadniczo dzielą się one na technologie proszkowe i drutowe. Technologia proszkowa polega na stapianiu sproszkowanego metalu. Najpopularniejszy wariant, technologia sproszkowanego łoża (LBPF), wyróżnia się wysoką precyzją, ale produkcja przebiega powoli. Natomiast w procesach drutowych następuje stapianie spoiwa w formie drutu, z którego powstaje element. W tym procesie stosowany jest laser, strumień elektronów lub łuk spawalniczy. Ta technologia charakteryzuje się wysoką wydajnością stapiania i skraca czas produkcji.

Wire Arc Additive Manufacturing jest jedną z technologii drutowych i wykorzystuje proces spawania łukowego metali w osłonie gazów ochronnych (MSG). WAAM cechuje się wieloma zaletami: osiąga wysoką wydajność stapiania — w obecnych systemach jest to do czterech kilogramów materiałów stalowych na godzinę. Systemy drutowe mogą w przyszłości osiągnąć jeszcze większą wydajność. Istotnymi kryteriami są również koszty instalacji i materiałów: WAAM wymaga jedynie odpowiedniego systemu spawania. Nie są potrzebne kosztowne instalacje specjalne, jak komory próżniowe stosowane w szybszej technologii strumienia elektronów.

W porównaniu z technologią proszkową za WAAM przemawia także dobra dostępność już atestowanych drutów. Wybór materiałów proszkowych jest jeszcze dość ubogi, ponieważ procesy certyfikacji i opracowywania kart charakterystyki trwają często wiele lat, a sproszkowane metale są wykorzystywane od niedawna.

Stabilne nakładanie warstw w „zimnym” procesie spawania

Podczas produkcji elementów metodą WAAM kluczowa jest stabilność stosowanego procesu i odprowadzanie ciepła. Proces spawania musi wytwarzać jak najmniej energii, czyli być jak „najzimniejszy”, aby nie powodować ponownego stapiania niższych warstw. Ponadto spawana warstwa musi być ciągła, bez rozprysków i równomierna. Każda wada przełożyłaby się na kolejne warstwy.

Proces spawania łukowego metali w osłonie gazów ochronnych CMT firmy Fronius oraz jego warianty regulacji procesu spełniają te wymagania. Wyróżniają się stabilnością łuku spawalniczego oraz kontrolowanym zwarciem z długimi czasami zwarcia. Dzięki temu ciepło oddawane jest mniejsze, a przejście materiału jest prawie całkowicie pozbawione rozprysków. Jest to pomocne w unikaniu wad.

Szczególnie przydatne są dwa warianty regulacji procesu CMT. Jest to po pierwsze zoptymalizowana pod kątem WAAM charakterystyka procesu CMT additive. Osiąga ona dobrą wydajność stapiania i doprowadza jeszcze mniej ciepła do elementu. W wariancie CMT Cycle Step moc łuku spawalniczego jest dodatkowo zredukowana dzięki selektywnemu wyłączaniu w fazie procesu. Nakładanie warstw w tym szczególnie „zimnym” procesie wymaga jednak więcej czasu ze względu na mniejszą prędkość stapiania.

Zastosowania WAAM w praktyce

Systemy spawania Fronius są już wykorzystywane do wytwarzania wielu elementów WAAM w najróżniejszych gałęziach przemysłu: chociażby wytwarzane z wysokogatunkowych materiałów wiatraki wentylatorów stosowanych w elektronice. Frezowanie takiego elementu jest kosztowne ze względu na wysokie zużycie materiału, a odlewanie zazwyczaj skomplikowane ze względu na grubość ścianek, wynoszącą około 1,5 mm. Korzystając z charakterystyki CMT Cycle Step, takie łopatki wiatraka wentylatora ze stopu na bazie niklu można wytwarzać metodą WAAM w sposób addytywny. Metoda WAAM umożliwia również naprawę elementów.

Kolejne zastosowanie firma Fronius zrealizowała we współpracy z partnerem z branży lotniczej: często stosowany w niej tytan charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie, udarnością i odpornością na korozję, a także niewielką masą. Większość elementów jest wytwarzanych metodami przyrostowymi, co wiąże się z usunięciem do 90% materiału w trakcie frezowania. Przekłada się to na wysokie koszty, długie czasy obróbki i kosztowne zużycie narzędzi. Elementy wytwarzane metodą WAAM muszą natomiast zostać obrobione tylko o tyle, aby uzyskać gładką powierzchnię. W elemencie z tytanu wytwarzanym w procesie CMT additive nie występują żadne braki przetopu. Odznacza się on również dobrymi właściwościami metalurgicznymi. W ten sposób można zmniejszyć koszty narzędzi, skrócić czas obróbki i ograniczyć zużycie, aby zminimalizować ogólne koszty obróbki.

WAAM: uniwersalna i rentowna metoda

WAAM jest zatem rentowną i uniwersalną alternatywą w produkcji. W systemach spawania Fronius można bez problemu wykorzystywać metody addytywne, korzystając z technologii CMT.

Źródło: Fronius