谢菲尔德大学采用WAAM技术生产航空航天用储氢罐

2023年10月26日，南极熊获悉，来自谢菲尔德大学AMRC西北分校的增材制造专家正在探索一种创新技术，为航空航天应用生产储氢罐。AMRC增材制造负责人Evren Yasa博士领导了一个研究小组，专注于线弧增材制造（WAAM）的项目。

WAAM技术应用到多个工业领域，包括能源，国防，汽车，建筑和航空航天，以生产大型和复杂的结构部件，减少对组装和连接技术的需求以及废料。WAAM已被部署用于航空航天领域的维修和再制造目的，从而节省时间和成本。除此之外，它还具有更大的供应链灵活性的优势，便于实现小批量生产。

△扫描 WAAM制造箱体以检测缺陷。资料来源：AMRC。

Evren Yasa说：“该项目的启动是为了利用我们内部的WAAM能力，使用铝合金建造一个用于航空航天领域的液氢储罐模型，并展示生产成品增材制造零件的完整价值链。”

氢是一种高度可持续的能源载体，被认为是到2050年实现欧盟碳中和的关键。然而，围绕如何储存氢气的挑战限制了其全部潜力。Evren表示：“储存氢气以用作航空航天燃料源的主要挑战是额外的存储要求，以及整体罐所需的复杂几何形状以及低温液态储存状态下如何进行操作。这些挑战使增材制造技术成为满足储氢罐需求的有前途的制造路线之一，这也得到了英国航空航天技术研究所于 2022 年发布的低温氢燃料系统和存储路线图报告的支持。”

目前，钣金成型、机加工和焊接都可以用于金属罐生产。然而，这些传统技术不能提供制作新形状的设计自由度。WAAM提供了这种设计自由度，与标准的圆柱形/球形相比，AMRC团队为制造一系列更复杂的容器形状提供了新的可能性，特别是在航空航天领域，有可能实现在更紧凑的区域储存氢气。

Yasa博士的团队希望通过确定工艺参数以及沉积策略来探索将WAAM用于金属储罐的可行性，以获得良好的机械性能。此外，本项目的目的是研究和抵消由于WAAM过程中的高热输入而导致的残余应力。

谢菲尔德大学 AMRC 西北分校增材制造团队的技术负责人 Muhammad Shamir 博士解释了如何在 WAAM 中使用不同类型的热源，例如电弧或等离子弧来熔化焊丝原料。Shamir博士说：“在我们的研究中，我们专注于使用特殊技术的电弧工艺，以最大限度地减少热量输入。这种材料也很难加工，因为铝合金容易吸收氧气和氢气。如果材料在环境空气中放置太久，它就会开始吸收水分，导致加工过程中孔隙率过高，从而降低机械性能。”

项目期间出现的其他挑战包括狭窄的工艺窗口，合适的工艺参数范围有限，以及复杂几何形状的五轴编程。然而，总体而言，Yasa 博士表示，这项研究工作是有益的，因为它使团队能够探索 WAAM 加工铝合金的这些挑战。

这个为期 7 个月的项目由高价值制造(HVM) 联盟资助，AMRC 和其他六个国家研究中心都是该联盟的成员。Yasa 博士和她的团队现在希望将研究推进到第二阶段，并正在等待进一步资助的结果，以探索增材制造对低温机械性能以及氢渗透性的影响，以确保其是可行的。液态氢应用的途径。

Evren Yasa 博士说：“我们已申请资金来开展更多工艺优化工作，并有机会与南安普顿大学合作在低温下测试 WAAM 材料。此外，航空航天储氢罐的增材制造工程依然存在许多挑战，包括监管审批、标准化、成本和行业接受度。我们未来的项目将侧重于通过与行业利益相关者合作来克服这些挑战，确保符合标准和法规，建立增材制造指导方针，进行成本效益分析，并通过与航空航天业的接触和知识共享来加快项目进程。我们最终的目标是展示该解决方案的经济可行性和竞争力。”