近期，美國加州州立大學(xué)和土耳其埃斯基謝希爾奧斯曼加齊大學(xué)的工程師聯(lián)合開發(fā)了一種電弧增材制造（WAAM）3D打印機(jī)，制造成本只需1000美元。

通過將氣體保護(hù)鎢極電弧焊（GTAW）技術(shù)集成到類似熔融沉積建模（FDM）龍門裝置中，該研究團(tuán)隊(duì)制造出一種不依賴復(fù)雜機(jī)械臂的3D打印設(shè)備，價(jià)格合理且開源，最初的測試表明與碳鋼和合金Inconel 718材料兼容。

“與昂貴的粉末床系統(tǒng)相比，這種加工系統(tǒng)結(jié)合適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)就能實(shí)現(xiàn)在GTAW和WAAM工藝下加工金屬合金，工作量更少，成本更低，”該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中說。目前，系統(tǒng)可以加工的合金材料包括鈦、鋁、鎳和鈷基超合金以及低合金鋼。

■原型龍門式WAAM 3D打印機(jī)

采用氣體鎢極電弧焊

特別是在航空航天和汽車制造領(lǐng)域，金屬3D打印技術(shù)如粉末床熔融（PBF）和直接能量沉積（DED），對于傳統(tǒng)減材工藝已經(jīng)顯現(xiàn)出優(yōu)勢。例如，使用PBF工藝可以生產(chǎn)出具有內(nèi)部通道和高分辨率特征的復(fù)雜部件。但此類系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜。

同樣，工程師們承認(rèn)與DED打印設(shè)備可以構(gòu)建比較大型的部件且組件維修也相對簡單，但該技術(shù)仍依賴昂貴的激光器和機(jī)器人技術(shù)，并且生產(chǎn)出的零件還需要大量的后處理。

在現(xiàn)有傳統(tǒng)金屬3D打印工藝中，該團(tuán)隊(duì)特別推薦GTAW工藝，這是一種在惰性氣氛中使用電弧將線材原料熔化成所需形狀的方法。在增材制造系統(tǒng)使用這種工藝時(shí)，該技術(shù)可直接配合DED技術(shù)使用，由于價(jià)格合理的半自動(dòng)送絲系統(tǒng)和廣泛的合金兼容性特點(diǎn)，讓此類設(shè)置在研究界普遍采用。

然而盡管有這些好處，但開發(fā)有效的低成本GTAW增材制造系統(tǒng)仍不簡單，其中參數(shù)設(shè)置不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出有缺陷的零件或?qū)е掳踩珕栴}。對此，美國與土耳其組成的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種降低WAAM設(shè)備制造成本的新方法，就是構(gòu)建一個(gè)3軸配置機(jī)器。

■WAAM 3D打印機(jī)組件示意圖

WAAM 3D打印服務(wù)

該團(tuán)隊(duì)的GTAW系統(tǒng)由微控制器、TIG焊機(jī)和特殊設(shè)計(jì)的部件（例如外框上的定制自動(dòng)送料器）組成，其外觀類似于許多商用笛卡FDM 3D打印機(jī)。然而，該團(tuán)隊(duì)并沒有購買設(shè)備的支架，而是將它與通過Stratasys U-plus機(jī)器生產(chǎn)的40多個(gè)ABS零件固定在一起。

過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)能夠?qū)⒔ㄔ斐杀究刂圃?000美元左右，不包括用于維持和編程的氣體容器和計(jì)算機(jī)。一旦他們建立了原型就對其進(jìn)行測試，在測試中證明它能夠接收來自開源 Arduino Mega微控制器的指令，并產(chǎn)生電流為5-150安培的鎢弧。

然而，GTAW 增材制造系統(tǒng)也遇到了各種問題，例如由于進(jìn)給率波動(dòng)和割炬過熱導(dǎo)致的零件軟化、表面波紋和形狀變細(xì)。盡管團(tuán)隊(duì)已經(jīng)引入了多個(gè)修復(fù)程序解決上述問題，但他們承認(rèn)割炬、焊層和送絲機(jī)之間的角度仍然需要不斷調(diào)整，而零件異型仍然是一個(gè)待解決的問題。

展望未來，工程師們表示他們的機(jī)器的一些問題可以通過安裝一個(gè)額外的惰性氣體屏蔽室來克服，以防止金屬受到大氣干擾。鑒于其可以自動(dòng)運(yùn)行，他們認(rèn)為盡管生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生極明亮和熾熱的電弧，但對于日常用戶來說可以安全使用。

“在這項(xiàng)研究中，我們設(shè)計(jì)了一種低成本電弧增材制造系統(tǒng)，為開發(fā)和修復(fù)高價(jià)值金屬部件提供了一種替代解決方案，”該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道，“這種設(shè)備的應(yīng)用場景涉及維修和制造航空、汽車和醫(yī)療行業(yè)中的配件、植入物和熱交換器等部件。”

■通過WAAM 3D打印機(jī)生產(chǎn)出合金Inconel 718的30層墻結(jié)構(gòu)

WAAM的其他應(yīng)用

在過去兩年中，WAAM 3D打印超堅(jiān)固部件的能力越來越多地在海事、國防和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中受到考驗(yàn)。2021年底機(jī)器人金屬3D打印公司MX3D透露，這家公司已經(jīng)使用該技術(shù)為歐洲航天局的月球定居點(diǎn)原型創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的“地板” 。

重型設(shè)備制造商Huisman宣布已將該技術(shù)部署到3D打印四個(gè)起重機(jī)吊鉤上。每張大幅面印刷品的尺寸為1.7m×1.3m，重達(dá)1700公斤，能夠舉起高達(dá)350公噸的重量物件。

同樣在其他海上應(yīng)用中，WAAM已被法國海軍集團(tuán)等公司用于制造空心螺旋槳葉片演示器。在不到100小時(shí)內(nèi)由不銹鋼制成，重達(dá)300公斤的打印件成功地通過了疲勞和腐蝕測試，其流體動(dòng)力學(xué)特性也通過了數(shù)值模擬評估。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在他們題為“低成本電弧增材制造系統(tǒng)的開發(fā)”的論文中進(jìn)行了詳細(xì)說明，該論文由Miguel Navarro、Amer Matar、Seyid Fehmi Diltemiz和Mohsen Eshraghi合著。