山东大学新型金属3D打印技术：强制收缩线电弧增材制造（CC-WAAM）

南极熊获悉，中国山东大学的研究人员开发出一种新型金属3D打印方法，称为强制收缩线电弧增材制造（CC-WAAM）。通过改进WAAM，该工艺可以更好地控制金属的形成状态，生成具有均匀微观结构分布的层。他们还研究了该技术的最佳工艺参数和下焊现象。

强制收缩线电弧增材制造（CC-WAAM）

线材增材制造（WAAM）是由英国屡获殊荣的克兰菲尔德大学开创的金属3D打印技术。 WAAM在生产大型零件时具有无与伦比的效率和成本优势，常用于航空航天和航海工业。它已广泛应用于飞机后架，原型压力容器，飞机机身，空心螺旋桨叶片，起重机吊钩和船舶螺旋桨的生产。
在3D打印过程中，随着热量累积的增加，WAAM的几何精度和成形质量下降。过多的热量输入也会引起残余应力和变形，从而留下较差的机械性能。为了解决WAAM面临的挑战，山东大学团队开发了一种名为强制收缩WAAM（CC-WAAM）的新技术。

使用金属惰性气体（MIG）焊接电源，CC-WAAM在狭窄的陶瓷喷嘴中的金属线和钨电极之间产生等离子弧。在电弧的加热下，电线熔化并产生液滴。陶瓷喷嘴对电弧和金属液滴具有强制抑制作用。利用弧形将液滴喷射出喷嘴，进行3D打印。喷射电弧等离子体保证了热液滴以及液体池的良好屏蔽和保温。

从焊炬到基板的距离为熔融液滴转移提供了足够的冷却空间。因此，热输入显着降低。通过该方法生产的层显示出均匀和精细的微结构。通过调节焊炬的行进速度，也可以有效地控制每层的几何尺寸。


△CC-WAAM示意图;在CC-WAAM中喷射的弧和液滴的图像。图片来自山东大学。

获得正确的参数

该团队的下一个挑战是开发系统控制参数，以确保电弧和液滴传输的稳定性。电弧的稳定性促进了液滴的平衡转移。同时，液滴的稳定转移使电弧保持稳定。 CC-WAAM的受限空间不直接对电弧进行视觉评估，并且火炬护罩内的液滴不会形成。因此，研究人员利用高速摄影技术，通过耐高温玻璃研究了不同条件下的焊接现象。

结果表明，电弧行为和液滴转移随电参数而变化。在低电平电参数（80 A / 14.9 V  -  200 A / 18.3 V）下，电弧和液滴非常不稳定。增加了大液滴直径（1.8  -  5.3mm）的特点，液滴传输频率低（2  -  23Hz），产生大量复杂的电弧现象。相比之下，高水平电气参数（200 A / 18.3 V  -  300 A / 18.3 V）可实现0.8 mm的小液滴和300 Hz的高传输频率。弧形和液滴转移变得非常稳定，证明了更高级别的电气参数更适合CC-WAAM。

然后，他们进行实验以研究保护气流对电弧行为和液滴转移的影响。在低水平电参数下，气流在电弧上施加机械力并使电弧分散。在高水平电气参数下，气体电离，促进电弧稳定性。

该团队得出结论，CC-WAAM最合适的参数是300 A / 18.3 V，气流量为5 L / min。利用这些最佳参数，实现了短而稳定的电弧和高频液滴传递。

对液滴进行初步力分析，研究人员找到了这种液滴转移现象的解释。液滴FG上的重力和电磁pincheffect FE引起的力促进了液滴的垂直传递。与液滴轨迹的偏差是由液滴FC上的电弧力和液滴FM上的闭环电流产生的力引起的。未来的工作仍然是实现液滴的垂直轨迹。


力分析。图片来自山东大学。

“在强制收缩的WAAM期间研究密闭空间中熔滴和电弧等离子体的产生过程”发表在Journal of Materials Processing Technology上。它由Meng Guo，Chuanbao Jia，Jihui Zhou，Wenqiang Liu，Chuanongong Wu共同撰写。


南极熊发现，山东大学网站上有个报道，2018年06月，在山东大学“聘请短期境外专家项目”资助下，英国克兰菲尔德大学焊接工程与激光加工中心主任Stewart Williams教授应邀来山东大学材料科学与工程学院开展讲学和学术交流。

Williams教授参观了材料学院焊接实验室，详细了解了材料学院焊接研究所在等离子弧焊接、电弧增材制造、高效焊接以及搅拌摩擦焊接等方面的最新研究成果。然后，他与相关课题组师生就焊丝-电弧增材制造技术（Wire-Arc Additive Manufacturing，WAAM）进行了深入交流，并以“Large scale additive manufacture of engineering metallic structures”为题，为材料学院研究生和部分教师作了学术讲座。Williams教授在报告中详细介绍了其课题组在“焊丝+电弧”增材制造技术（WAAM）方面的最新研究成果。目前，增材制造有多种技术方法，但对于实际大型工程结构件（米级尺度）的制造来说，“焊丝+电弧”增材制造技术（WAAM）效率高、成本低，在航空航天、国防、能源和建筑等行业中有巨大应用前景。Williams教授团队采用WAAM技术制造出了目前世界上最大的增材制造结构件。他展示了已经制造出的某些典型结构件图片，并且介绍了下一步的研究和开发计划。学术报告以后，Williams教授与焊接数值模拟方向的博士生进行座谈交流，研讨了数值模拟在焊丝-电弧增材制造领域的巨大应用潜力和发展前景。通过此次讲学和学术交流活动，相关课题组师生掌握了大尺寸结构件增材制造技术的最新国际进展，对目前WAAM增材制造的关键技术问题有了深刻的认识，对相关方向的研究课题具有很大的指导意义。

Stewart Williams教授，“焊丝+电弧”增材制造（WAAM）领域的国际权威专家，英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）焊接工程和激光加工中心主任、焊接科学与工程系主任。他主要致力于工业应用级别的大尺寸构件WAAM增材制造技术研发，相关产品已成功应用于包括空客、英国宇航系统公司、庞巴迪、欧洲宇航防务集团、通用、洛克希德马丁等在内的著名航空、航天制造企业。