電弧增材制造的案例
航空航天增材制造高峰論壇演講摘要
2018年7月27日上午，航空航天增材制造論壇在杭州國際博覽中心103A盛大開幕。南極熊3D打印網小編現場聆聽了不同專家對此話題的理解和應用。
中國航天科工集團第三研究院工藝處處長劉全福
劉全福在致辭中表示，中國航天科工三院作為中央特大型國有企業，肩負科技強國、航天報國的使命，致力于中國航天事業和國防事業的發展，致力于中國航天事業和國防事業的發展。中國航空科工集團在2016年依托航天三院建立了航空科工集團公司增材制造技術創新中心。目前，中心已在高品質增材制造原材料研發、增材制造系統性應用研究等方面開展了一系列工作，并已成功在一批航天產品中得到應用。同時依托航天云網平臺積極開展了增材制造+互聯網新模式探索。航天科工三院，愿意攜手增材制造產業界的同仁，為航天事業發展和增材制造產業持續健康發展作出一份貢獻。
中國航天科工三院副總工程師楊俊
楊俊進行了《創新、融合、開放、共贏的航天增材應用》的主題演講，他介紹航天科工增材制造中心在三院的研究方向涵蓋了激光學、選區成型、電子束、電弧增材制造、光固化、選區燒結、材料的堆積等等專業方向。產業鏈的覆蓋包括粉末的研發、結構優化設計、工藝研發、設備研發等等方向。計劃到“十三五”末要建成具備裝備信息化、工業化高層次深度融合增材制造智能制造的工廠，形成規模化應用，發展成為國內一流的增材制造服務商，實現增材制造原材料國產化、增材制造裝備自主化、增材制造服務規模，達到有示范作用的航天增材制造全產業鏈發展模式。
航天一院211廠王福德
王福德在演講中主要介紹了電弧增材制造技術，他表示現在飛機上的鈦合金件都是通過鍛或者扣出來，材料利用率非常低，飛機上材料利用率一般都在1%，很少超過5%，最高10%，因此在鈦合金冶煉過程中實際上增加了很多碳排放。而先用電弧增材制造技術做一個毛坯，可以大大提升利用率，減少碳排放。
展開 歐洲采用電弧增材制造工藝成功制造空間探索鈦壓力容器
WAAM3D公司將在未來幾個月向工業界提供所有這些工具，我們期待這將對工業大規模增材制造產生的影響。”
面向科研的電弧增材平臺 AMmake T1 重磅發布，融速科技將亮相2023 TCT Asia
導讀：電弧增材制造技術以打印效率高、原材料成本低等優勢而備受關注，配合CNC等加工設備可以快速的制造大型金屬工件，應用于航空航天、汽車等眾多領域。
2023年9月5日，南極熊獲悉，電弧增材制造設備廠商融速科技即將發布一款新產品——電弧增材平臺AMmake T1，并即將亮相 2023 TCT Asia展會。據悉，這是融速科技專門面向科研機構和高校研發的電弧增材試驗平臺，也是 AMmake T1首次和觀眾見面。
△融速科技電弧增材平臺AMmake T1
高效賦能，為科研而生
為了滿足科研需求，AMmake T1 支持多達22+種材料工藝包，打印壁厚可低至3.5mm，滿足不同企業對增材和打印厚度的要求。設備還能采集13+工藝參數，便于后期生成報告和科研分析。
同時，融速科技團隊還開發了全自動Z 軸高度補償功能，讓客戶在打印過程中無需擔心層間高度變化和撞槍風險，為高質量打印提供有效保障。設備還配有全自動控溫系統，實現精準控溫。
△全自動Z 軸高度補償
多種工藝數據，一鍵導出
AMmake T1 支持多種工藝數據一鍵導出：一鍵導出全流程工藝可編輯數據、一鍵生成全流程工藝延遲視頻、一鍵預覽打印過程孿生仿真，滿足科研用戶多樣的研發需求。
該設備搭載AMtwin?系統，利用數字孿生技術，打印過程動態展現，完整記錄和再現整個增材過程。同時搭配高動態HDR 熔池攝像頭, 可通過顯示器時刻觀測熔池和電弧狀態。
△多種工藝數據一鍵導出
高度契合科研需求
突破原有大型金屬增材裝備對裝機空間的要求，這款AMmake T1 擁有更為小巧的身板，底部滾輪移動靈活，可以輕松實現科研場所的裝機應用。
展開 機器人焊接電弧金屬3D打印技術，MX3D融資225萬歐元
△M1系統
MetalXL
MX3D的軟件和控制系統MetalXL將現有的焊接機器人變成了工業金屬增材制造機器，使用戶能夠一次性管理從設計到制造的整個過程。產品可以與多個品牌的機器人、電源和傳感器連接，并且隨著開發的進行，系統有望使MX3D服務于全球80％以上的機器人市場。MX3D聲稱已成功將MetalXL集成到許多新客戶的體系中。并且新籌集到的資金也將用于這款軟件的開發升級。
△MetalXL
MetalXL使用機器人WAAM技術（電弧增材制造），可以在內部對進行大型工業3D金屬打印。軟件將工業機器人和電源連接在一起，并轉換為工業級3D金屬打印機，而CAPEX和OPEX則要低得多。MetalXL涵蓋了從端到端的工作流程，可一次完成從設計到零件的打印。MetalXL還具有先進的功能，可提高生產率、材料的一致性能和連續監控，包括自動校準、動態傳感器、實時操作反饋和高分辨率數據記錄。
△MetalXL工作流程
WAAM技術（電弧增材制造）
MX3D以在阿姆斯特丹市中心的3D打印不銹鋼橋梁而聞名，被視為機器人電弧增材制造（WAAM）行業的先驅。因此，公司希望這項技術可以為石油、天然氣、海事和工具等重工業打開AM優勢的大門。
△3D打印阿姆斯特丹不銹鋼橋
WAAM電弧熔絲3D打印技術（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）。
展開 
大型電弧熔絲金屬3D打印高強度合金，AML3D開辟新市場新應用
它采用電弧增材制造技術，能制造任意復雜程度的三維模型，工藝過程全自動，成型工件質量高，目前成套產品已廣泛用于空航天，軍工，核電，船舶，汽車，石油石化等多個領域。
電弧金屬3D打印高壓管道卡箍，MX3D在石油化工領域的應用
中國的電弧熔絲金屬3D打印
在中國，也有一些做得不錯的電弧熔絲金屬3D打印廠商，特別是南京英尼格瑪。在電弧增材制造方面，南京英尼格瑪算是業內最早涉足的企業之一，已在這個行業深耕了十年之久，已掌握了電弧增材制造的整套技術，包括裝備、工藝、軟件和材料等，目前在國內乃至國際已處于領先的地位。
ENIGMA ArcMan系列電弧增材制造系統（具體產品說明
https://a.eqxiu.com/s/CxHkSlN6），集專業的產品設計工程師、工藝工程師、機器人應用工程師等經驗于一身。實現高性能、高效率 、高性價比的大型金屬構件的智能增材制造。從設計研發到制造維護，到突破傳統制造工藝的材料、結構、功能一體化復雜構件，無論是否具有豐富的電弧增材經驗，都可以朝“思”暮“享”。它采用電弧增材制造技術，能制造任意復雜程度的三維模型，工藝過程全自動，成型工件質量高，目前成套產品已廣泛用于空航天，軍工，核電，船舶，汽車，石油石化等多個領域。
展開 面向金屬增材制造的拓撲優化設計研究進展
金屬增材制造技術原理與特點
增材制造技術是制造業的“革命性”飛躍，顛覆傳統制造技術的局限，解決產品研發存在的“制造決定設計”問題。金屬增材制造技術作為重要分支，已成為當前實施技術創新、提振本國制造水平的關鍵著力點
。如圖
5
所示，主流的金屬增材制造熱源形式有激光、電子束與電弧，依據預先鋪粉或同步送粉/送絲的不同材料進給方式，金屬增材制造包括粉末床熔融
技術和定向能量沉積
技術兩類
,
基于粉末床熔融技術主要有激光選區熔化技術
和電子束選區熔化
技術；基于定向能量沉積技術主要有激光金屬沉積
技術、電子束自由成形制造
技術、電弧增材制造
技術。
圖5 金屬增材制造技術。（a）激光選區熔化；（b）電子束選區熔化；
（c）激光金屬沉積；（d）電子束自由成形制造；（e）電弧增材制造
3.1 粉末床熔融增材制造技術
粉末床熔融技術通過對三維模型進行分層切片處理以提取每層輪廓信息，規劃熱源（激光、電子束）掃描路徑與打印方向，逐層熔化預先鋪放的金屬粉末，實現自下而上的材料逐層疊加的零件快速制造。成形件精度較高、表面質量較好，結構復雜性基本不受限。但成形效率較低，成形尺寸受限，故主要應用于小批量、中小尺寸、結構較為復雜的零件加工與模具制造。
3.1.1激光選區熔化技術
激光選區熔化（
Selective Laser Melting, SLM
）技術基于惰性氣體的工作環境（圖
5a
），使用激光高能束有選擇性的逐層熔化金屬粉末，實現復雜結構“凈成形”制造。
SLM
技術粉末粒徑較小，分層層厚較薄，可實現粉末完全熔化與快速凝固。
展開 看空客如何探索用3D打印來加強飛機機身結構部件
這種網狀結構部件可以節省重量和燃料，因此可以幫助降低制造和運營成本。
利用現代計算方法，例如拓撲優化，可以預先確定結構部件的預期應力載荷，并且結果可以用于優化實心部分和網格部分的配置，以實現剛度與重量的最佳平衡。
結構部件可以由金屬整體形成，通過AM-增材制造工藝，可以以相對簡單的方式生產高度復雜的二維或三維金屬部件，這是整體形成由實心和網格部分組成的結構部件的可行方式。原則上，AM工藝也可用于加工復合材料從而形成整體結構部件，例如碳纖維增強復合材料。
除了碳纖維增強復合材料，結構部件可以基本上由鋁或鈦形成。鋁合金由于其耐用性和可靠性而廣泛用于飛機制造中。鈦或鈦合金具有高耐溫性和耐腐蝕性，并且與其他金屬相比，盡管密度相對較低，但具有高強度。因此，在飛機或航天器的高應力部件的情況下使用鈦或鈦合金比較普遍。 當然可以使用鈦合金和鋁合金的組合，例如實心部分可以由鈦合金形成，而網狀可以由便宜得多的鋁合金制成。
而在設計過程中，根據預定應力載荷進行應力計算之后，可以使用拓撲優化或類似方法來優化結構部件。因此，對于給定的一組設計要求，可以找到最佳部件設計布局，然后通過3D打印的工藝來制造完成。
3D科學谷Review
根據中國航空報，2018年空客旗下Stelia航宇公司的工程人員通過電弧增材制造（WAAM）技術創造出了世界首個自加強機身壁板，他們以增材制造集成加筋結構以提供結構加強。工程人員使用的是絲束電弧增材制造，將加筋鋁絲沉積到壁板的內表面。之前，機身內部網狀的加筋結構均是通過手工緊固或者焊接上去的。
由于該項目的成功，STELIA對電弧增材制造（WAAM）將最終取代飛機機身面板的傳統生產方式，消除對某些進一步固定和焊接的需求表示樂觀。
展開 金屬增材制造最前沿
金屬增材制造是先進制造的重要方向之一
金屬增材制造是最前沿和最有潛力的增材制造技術，是先進制造技術的重要發展方向。金屬增材制造技術是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過熔化粉材或絲材實現金屬構件逐層堆積成形。根據所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區熔化（Selective Laser Melting, SLM）、電子束選區熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近凈成形技術（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電子束熔絲沉積成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和電弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。
表1：目前較成熟的典型金屬增材制造的技術原理和技術特點等的對比
同步絲材送進技術采用電子束或電弧（CMT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。沉積層厚度為毫米量級，具有成形效率高，制造成本低等優點，目前該技術主要用于制造大型零件毛坯，隨著技術的發展，通過增減材一體化復合，可能將為大型復雜構件的低成本制造提供一種替代方案。電子束選區熔化（EBM）的優點在于其能量密度高，熱影響區小，變形小，生產率高等，但須在真空環境中進行，需要一整套專用設備和真空系統，價格較貴，生產應用具有一定局限性，但是電子束能力密度高，掃描速度快，束斑直徑大，成形精度不及激光選區熔化技術，隨著電子腔技術的發展，EBM技術將會得到快速的發展。
展開 分享 | 國家增材中心10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環實現一體化制造（材易通）
因此高性能鋁合金的材料制備和零件制造新工藝、新方法始終是研究的熱點。
一些民用干線飛機用材結構比例（%）
近年來，美國、歐洲的航空設計部門發現，采用大型整體式鋁合金構件替代傳統的組合式鋁合金構件，可減重15-20%，并且構件壽命及可靠性明顯增加。明顯可以感覺到，大型客機、戰略運輸機、戰斗機的機翼主翼梁、翼身對接肋、機身承受力框等對鋁合金的高性能化、構件大型化的要求越來越突出，總的來說，在航空航天領域，鋁合金材料重新受到重視。
隨著我國航空航天事業不斷發展，對運載火箭、空間站等大型化、整體化制造提出了更高需求。為搶占世界增材制造科技戰略高點，滿足我國航天事業發展需要，盧秉恒院士團隊潛心研發，克服了多路打印的運動控制、大尺寸結構件打印的變形與應力調控等難題，成功實現了大型航天鋁合金回轉體構件整體增減材制造成形、組織性能精確調控等關鍵技術突破，為我國航天型號工程的快速研制提供了技術支撐，亦讓我國深空探測裝備硬件能力得到大幅提升（延伸閱讀可查看國家增材院的相關課程）。
盧院士等人與10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環
據筆者了解， 2020年第四屆中國（西安）國際3D打印博覽會暨高端論壇期間，一款名為「大型金屬制件增鍛減裝備」被發布，該設備是齊重數控為西安增材制造國家研究院有限公司開發的大型筒體電弧增材制造裝備（國家重點研發計劃項目）。
展開 電弧焊+激光熔覆混合金屬3D打印技術，德國弗勞恩霍夫Collar Hybrid
2022年9月26日，南極熊獲悉，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)的工程師宣布開發出一種新的光學系統，該系統通過使用玻璃基板和弧焊炬，將金屬保護氣體(MSG)焊接與使用環形光束的激光堆焊技術結合在一起，從而創造出一種全新的制造工藝——“CollarHybrid”。
這種工藝能夠提升金屬3D打印的焊接速度和沉積速度，它結合了線材電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）和線材激光材料沉積（WLMD）兩種增材制造工藝。這兩種工藝各有優缺點，取決于系統。
激光工藝非常昂貴且沉積率低，電弧絲增材制造則是一種成熟而穩健的工藝。但是，電弧是有方向性的，在連接三維焊縫時它不能像激光束那樣精確聚焦，也不能像激光那樣產生精細、精確的軌跡，具有一定的局限性。相較之下，激光器的熱輸入較低，并能精確地對準層結構。因此，激光工藝經常被用于航空航天領域。與激光(Wire Laser Material Deposition, WLMD)相比，線弧增材制造(WAAM)的沉積率更高。在焊接方面，激光束焊接與氣體保護金屬弧焊的結合被命名為LB-GMA混合焊接。然而，這種側向過程是方向相關的，并不是非常適用于三維焊縫的連接。
當這兩種工藝同軸結合到一個系統時，其焊接速度提高了約100％，沉積速率可提高高達150%，甚至可用于大型部件的3D打印。德國弗勞恩霍夫激光技術研究所的研究助理Max Fabian Steiner指出，由于表面波紋減少，與WAAM工藝相比，這種結合工藝所需的后處理量顯著減少。
組合過程確保協同效應
Steiner和他在研究所的同事JanaKelbassa一起開發并建造了一種特殊的水冷光學系統，這種系統能夠利用玻璃襯底和水冷電弧炬在大功率激光束下進行焊接和增材制造。
展開 
上海交大增材制造頂刊：增材制造制備400MPa級高強度鎂稀土合金
但是擠壓態和擠壓-T5態合金的制備流程長，且擠壓過程只能生產形狀簡單的型材，而LPBF增材制造過程加上后續熱處理流程簡單，而且可以制備形狀復雜的構件，具有更廣闊的應用前景。
上述研究表明采用激光粉末床熔融增材制造技術制備高強度Mg-Gd系鎂稀土合金具有非常廣闊的應用前景，但是針對LPBF過程巨大的溫度梯度和極高的冷卻速度導致的熱應力累積從而發生開裂需要加以避免。LPBF加上專門設計的后續熱處理工藝有利于制備適合工程應用的具有更高屈服強度的高性能鎂稀土合金構件，本文可以為增材制造制備鎂合金構件提供一定的理論基礎和技術指導。
Add Up&ESI Group加強增材制造領域合作，致力金屬增材制造仿真新模塊
AddUp和ESI集團推出了“Distortion Simulation AddOn”，這是一款符合人體工程學且易于使用的仿真模塊，專用于金屬增材制造。
AddUp&ESIGroup亮相Formnext18，展示“DistortionSimulation AddOn”在增材制造加強合作
AddUp是增材制造工業解決方案的領導者，ESI集團是基于材料物理的虛擬原型制作解決方案的領導者和先驅，他們宣布推出DistortionSimulation AddOn。 該模塊將增強AddUp ManagerTM軟件的功能范圍，用于增材制造中零件的定義和生產跟蹤。
SOFIA項目（解決方案生產工業添加劑- 工業金屬添加劑制造解決方案）創始于2016年，由Bpifrance、AddUp和ESI集團贊助，自第一次會議以來，他們擁有金屬添加劑制造的共同愿景。在增材制造工業化成為現實的時候，基于材料物理的模擬確保了對材料工藝和性能的深入理解，是提高增材制造工藝競爭力的關鍵組成部分之一。
控制制造工藝
工藝參數的優化是增材制造過程中的關鍵，也是競爭差異化的驅動力。制造商根據其特定應用，必須能夠將可用的機器時間集中在生產或工藝優化上。
傳統地講，生產驗證主要是指生產零件，繼而評估其適配性。引入模擬工具（通常是有限的專家用戶）需要在不同功能之間進行多次反饋循環，從而在數字鏈上產生不連續性。
通過將模擬直接集成到增材制造的準備階段，Distortion SimulationAddOn為生產工藝帶來了連續性。AddUp Manager用戶界面直觀、穩定，為定義模擬參數提供了理想的工作環境，特別是對于非該領域專家的員工。
展開 金屬增材制造數值模擬技術發展
金屬增材制造是增材制造技術中發展最為迅速的分支，現已廣泛運用于航空航天、能源動力等領域，發展相關的數值模擬技術對深入理解其復雜物理過程與優化工藝參數具有重要的學術及工程意義。
與傳統減材制造（切削、磨削等）和等材制造（鑄造、鍛壓等）的材料加工方式不同，金屬增材制造依據三維計算機輔助設計（CAD）數據，通過光源或高能熱源等將離散材料（粉材、絲材等）逐層累積制造實體構件，是一種自下而上疊加材料成形的“自由制造”過程，有望成為實現航空發動機等高端工業裝備結構跨代提升的一條關鍵技術途徑。
金屬增材制造仿真概述
根據材料進給方式，金屬增材制造技術主要可分為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩大類，前者包括激光選區熔融技術和電子束選區熔融技術等，后者包括激光送粉增材制造技術、電子束送絲增材制造技術和電弧送絲增材制造技術等（見圖1）。然而，現階段金屬增材制造技術在構件成形精度和力學性能等方面仍存在不足,成為制約其廣泛工業化應用的瓶頸。主要原因在于金屬增材制造涉及到材料受熱熔化、熔池流動凝固、微觀組織形成和內應力/應變演化等，是一個十分復雜的多尺度多物理場耦合過程，冶金缺陷形成機理、微觀組織演化規律、零件翹曲變形與開裂預測、表面質量和成形尺寸精度控制等基礎問題尚未得到完全突破。單純依靠試驗測試技術開展增材制造過程中的微觀尺度觀測，存在著穩定性/可重復性差、分辨率/可觀測區域受限等不足，同時由于工藝所涉及參數量巨大，使得“試錯法”探究最優工藝參數窗口存在效率低、周期長和代價高昂等缺點。
近年來，數值模擬技術的發展為金屬增材制造復雜物理過程的深入理解和工藝條件優化提供了有力工具。
展開 如何快速評估工業品增材制造潛力？安世亞太增材評估小程序正式上線！
第三步：生成評估報告，根據增材潛力評估結果分析增材制造可行性。
如何看懂評估結果和建議方案？
本案例的得分高達81分，說明非常具有增材制造潛力，產品的部分特征非常適合發揮增材制造的技術優勢，通過增材設計和增材制造非常有可能實現期望的產品性能改進。
在給出分數的同時，系統也給出了增材制造的建議方案。本案例中給出了3個建議，都是針對我們輸入的產品信息自動給出的，用戶如果決定采用增材制造生產該接頭，一定要看懂這些建議。
在本案例中，盡管該接頭具有很高的增材制造潛力，但是僅憑增材制造工藝本身并不能將潛力完全發揮出來，基于增材制造的優化設計才能真正發揮出增材。
制造的優勢，是最后的“點睛之筆”。比如下圖中接頭1、2、3由于位置不同，受力明顯不同，我們針對金屬SLM增材制造的工藝特點，以及接頭在不同位置的受力情況，分別進行拓撲優化設計，最終確定了3種不同的結構形式，實現減重50%。到此為止，一個完美的增材制造解決方案才大功告成。
需要說明的是，分值的高低反映了產品符合增材制造技術優勢的程度，也就是產品利用增材制造優勢的潛力。但是增材制造可行性的判斷應當結合系統給出的具體意見。
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