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電弧增材制造：比激光增材更有

發(fā)布時(shí)間：2022-07-09 17:19:04瀏覽：7646點(diǎn)贊：

導(dǎo)讀：增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術(shù)是基于離散- 堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)

。OFweek激光網(wǎng)訊：增材制造（Additive Manufacturing,AM）技術(shù)是基于離散-堆積原理

，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)

。該成形方法最大優(yōu)勢(shì)是無(wú)需傳統(tǒng)的刀具即可成形

、降低工序、縮短產(chǎn)品制造周期

，尤其適于低成本小批量產(chǎn)品制造，而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜

、原材料附加值高的產(chǎn)品，其快速高效成形的優(yōu)勢(shì)越顯著

，在航空航天

、生物醫(yī)學(xué)、能源化工

、微納制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景

。

面對(duì)新型飛行器低成本、高可靠性的要求

，其零部件逐漸向大型化

、整體化發(fā)展。增材制造技術(shù)無(wú)需模具

，可直接低成本一體化制造復(fù)雜構(gòu)件

，并有望基于增材制造技術(shù)在構(gòu)型能力上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)飛行器零部件結(jié)構(gòu)

，提高結(jié)構(gòu)效率

，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化、高性能化

。由于簡(jiǎn)化或省略了傳統(tǒng)制造中的工藝準(zhǔn)備

、模具設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)

、制造、分析高度一體化

，能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本

。金屬增材制造技術(shù)按熱源類(lèi)型可分為3類(lèi)：激光、電子束和電弧

。過(guò)去20年主要研究以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材制造技術(shù)

，通過(guò)不斷熔化或燒結(jié)金屬粉來(lái)連續(xù)逐層制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，現(xiàn)已應(yīng)用于航空航天

、國(guó)防軍工、能源動(dòng)力等高精尖技術(shù)領(lǐng)域部分關(guān)鍵零部件

，但由于其原材料、熱源特點(diǎn)

，金屬粉基激光

、電子束增材制造技術(shù)在成形某些特定結(jié)構(gòu)或特定成分構(gòu)件時(shí)受到一定限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)或即使可以成形，其原材料

、時(shí)間成本很高

，具有諸多不足之處：（1）對(duì)于激光熱源，其成形速率慢

、鋁合金對(duì)激光的吸收率低等

；（2）對(duì)于電子束熱源，真空爐體尺寸對(duì)構(gòu)件體積的限制

；（3）粉基金屬原材料制備成本較高、易受污染

、利用率低等均增加了原料成本

。

基于上述原因

，現(xiàn)有的技術(shù)成形大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí)表現(xiàn)出一定的局限性，為了應(yīng)對(duì)大型化

、整體化航天結(jié)構(gòu)件的增材制造需求

，基于堆焊技術(shù)發(fā)展起來(lái)的低成本

、高效率電弧增材制造技術(shù)受到部分學(xué)者關(guān)注

。電弧增材制造技術(shù)（Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM）以電弧為載能束

，采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，該技術(shù)主要基于TIG

、MIG

、SAW等焊接技術(shù)發(fā)展而來(lái)

，成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學(xué)成分均勻

、致密度高

，開(kāi)放的成形環(huán)境對(duì)成形件尺寸無(wú)限制，成形速率可達(dá)幾kg/h

，但電弧增材制造的零件表面波動(dòng)較大，成形件表面質(zhì)量較低

，一般需要二次表面機(jī)加工，相比激光

、電子束增材制造

，電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本

、高效快速近凈成形。本文主要介紹電弧增材制造技術(shù)現(xiàn)狀

，分析現(xiàn)階段該技術(shù)研究的不足之處，探討其可能的發(fā)展方向

，闡述該技術(shù)在大型化

、整體化高端航空零部件制造中的應(yīng)用

。WAAM技術(shù)現(xiàn)狀1WAAM裝備系統(tǒng)：1.1基本硬件構(gòu)成及特征電弧增材制造是數(shù)字化連續(xù)堆焊成形過(guò)程

，其基本成形硬件系統(tǒng)應(yīng)包括成形熱源

、送絲系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電弧增材制造三維實(shí)體零件依賴(lài)于逐點(diǎn)控制的熔池在線(xiàn)

、面

、體的重復(fù)再現(xiàn)，若從載能束的特征考慮

，其電弧越穩(wěn)定越有利于成形過(guò)程控制

，即成形形貌的連續(xù)一致性。因此

，電弧穩(wěn)定

、無(wú)飛濺的非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG）和基于熔化極惰性/活性氣體保護(hù)焊（MIG/MAG）開(kāi)發(fā)出冷金屬過(guò)渡（Cold Metal Transfer,CMT）技術(shù)成為目前主要使用的熱源提供方式。作為由點(diǎn)向三維方向擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

，其位移與速度

、位置的重復(fù)定位精度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等對(duì)成形件尺寸精度的影響至關(guān)重要

，目前使用較多的是數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人

。數(shù)控機(jī)床多作為形狀簡(jiǎn)單、尺寸較大的大型構(gòu)件成形

，機(jī)器人具有更多的運(yùn)動(dòng)自由度，與數(shù)控變位機(jī)配合

，在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)及形狀上更具優(yōu)勢(shì)

，但基于TIG的側(cè)向填絲電弧增材制造因絲與弧非同軸，如果不能保證送絲與運(yùn)動(dòng)方向的相位關(guān)系

，高自由度的機(jī)器人可能并不適合，所以機(jī)器人多與MIG/MAG

、CMT

、TOP-TIG等絲弧同軸的焊接電源配合搭建電弧增材成形平臺(tái)。在國(guó)內(nèi)外電弧增材相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的報(bào)道中

，所采用的成形系統(tǒng)如表1所示

。相比TIG、MIG/MAG

、PAW等

，CMT具有低熱輸入、無(wú)飛濺等特點(diǎn)

。此外

，其送絲運(yùn)動(dòng)與熔滴過(guò)渡過(guò)程可進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)，在物質(zhì)輸入方面具有更高的可操控性

，可能會(huì)成為將來(lái)電弧增材制造的主要熱源方式

。

總體而言，電弧增材制造載能束具有熱流密度低

、加熱半徑大

、熱源強(qiáng)度高等特征，成形過(guò)程中往復(fù)移動(dòng)的瞬時(shí)點(diǎn)熱源與成形環(huán)境強(qiáng)烈相互作用

，其熱邊界條件具有非線(xiàn)性時(shí)變特征，故成形過(guò)程穩(wěn)定性控制是獲得連續(xù)一致成形形貌的難點(diǎn)

，尤其對(duì)大尺寸構(gòu)件而言，熱積累引起的環(huán)境變量變化更顯著

，達(dá)到定態(tài)熔池需要更長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)間

。針對(duì)熱積累導(dǎo)致的環(huán)境變化，如何實(shí)現(xiàn)過(guò)程穩(wěn)定性控制以保證成形尺寸精度是現(xiàn)階段電弧增材制造的研究熱點(diǎn)

?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">；谝曈X(jué)傳感系統(tǒng)的焊接質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)首先被移植應(yīng)用于該領(lǐng)域，并取得了一定成果

。1.2成形過(guò)程穩(wěn)定性硬件系統(tǒng)電弧增材成形采用逐層累加的方式構(gòu)建三維實(shí)體零件

，保證形狀、尺寸精度

，需要單層成形尺寸與三維數(shù)字化模型建立的分層切片數(shù)據(jù)一致，但在實(shí)際成形過(guò)程中

，熱積累作用導(dǎo)致熔池體系熱邊界環(huán)境非線(xiàn)性時(shí)變

，故實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠?qū)γ恳怀练e層的表面形貌

、質(zhì)量及尺寸精度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制。WAAM增材制造是以高溫液態(tài)金屬熔滴過(guò)渡的方法通過(guò)逐層累積的方式成形的

，成形過(guò)程中隨著堆焊層數(shù)的增加，成形件熱積累嚴(yán)重

、散熱條件變差，以至于熔池凝固時(shí)間增加，熔池形狀難于控制

，尤其是在零件邊緣，由于液態(tài)熔池的存在

，邊緣形貌與成形尺寸的控制更加困難

，即熱積累作用導(dǎo)致熔池體系熱邊界環(huán)境非線(xiàn)性時(shí)變，故實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外

，還需要能夠?qū)γ恳怀练e層的表面形貌、質(zhì)量及尺寸精度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制

。在焊槍處安裝紅外溫度傳感器的被動(dòng)反饋式層間溫度控制方式，強(qiáng)烈依賴(lài)于人為目標(biāo)參數(shù)的設(shè)置

，而直接以熔覆層的形貌尺寸特征作為信號(hào)源

，通過(guò)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)尺寸信息，實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)可能更可取

。如圖1所示，美國(guó)Tufts大學(xué)Kwak等建立了利用MIG焊槍進(jìn)行堆焊成形

，等離子槍在線(xiàn)熱處理

，通過(guò)兩套結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)熔覆層形貌特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及一套紅外攝像機(jī)用于成形件表面溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的雙輸入輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)

，以焊速和送絲速度作為控制變量，熔覆堆高和層寬作為被控變量

，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形過(guò)程中成形尺寸的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制

。

國(guó)內(nèi)張廣軍等設(shè)計(jì)了一套用于焊道特征尺寸控制的雙被動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)

，如圖2所示，可同時(shí)獲得熔敷層寬度和焊槍到熔敷層表面的高度圖像

，實(shí)現(xiàn)了熔敷層有效寬度、堆高等參數(shù)的在線(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)

，并以熔敷層有效寬度為被控變量

，焊速為控制變量，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制器

，通過(guò)模擬仿真和干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器性能

。參數(shù)自學(xué)習(xí)PSD控制器在熔敷層定高度、變高度控制中均可獲得良好的控制效果

，同時(shí)通過(guò)對(duì)熔敷層表面到焊槍噴嘴的距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制

，滿(mǎn)足了WAAM成形穩(wěn)定性的要求。

WAAM載能束熱輸入高

、熱源半徑大

、金屬熔體短程流動(dòng)等特征決定了成形尺寸對(duì)工藝參數(shù)具有較弱的響應(yīng)靈敏度，而且溫度越高越顯著

，與焊接過(guò)程焊縫質(zhì)量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)目的不同，WAAM過(guò)程的監(jiān)測(cè)與反饋控制目的在于控形

，而其寬泛的工藝規(guī)范帶使得這一反饋控制可能無(wú)法取得立竿見(jiàn)影的效果

，故在提高成形精度上不能行之有效。WAAM的應(yīng)用是“近凈成形”

、“原型制造”

，其追求的是低成本

、高效率而非高精度

，所以對(duì)成形精度要求并不苛刻（需要2次機(jī)加工）。此外

，該系統(tǒng)需在焊槍周?chē)o助復(fù)雜的光路系統(tǒng)，光路干涉嚴(yán)重約束了焊槍的可達(dá)性

，而從該技術(shù)自身特征出發(fā)

，通過(guò)揭示成形機(jī)理，優(yōu)化工藝

，可能更適于簡(jiǎn)單

、高效、低成本的電弧增材制造

。2成形過(guò)程穩(wěn)定性的工藝控制不同于激光及電子束

，電弧增材制造的熔池體積較大，而且成形過(guò)程中因冷態(tài)原材料

、電弧力等擾動(dòng)因素的存在，使得熔池成為一個(gè)不穩(wěn)定的體系

，但WAAM能夠成為增材制造的先決條件是成形過(guò)程必須使得熔池體系具備穩(wěn)定的重復(fù)再現(xiàn)能力。在初期試驗(yàn)規(guī)律性研究階段

，主要基于電弧焊接技術(shù)，針對(duì)不同材料體系匹配不同的焊接方法及成形系統(tǒng)

，甄選出關(guān)鍵影響因子

，采用試驗(yàn)方法研究單層單道焊縫形狀與最終成形零件表面質(zhì)量的關(guān)系，建立起成形質(zhì)量與焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)的關(guān)系

，如焊速（TS）、焊絲直徑（WD）

、送絲速度（WFS）

、導(dǎo)電嘴端面與工件距離（CTWD）、層間溫度

、電流

、電壓等。在基于TIG的堆焊成形過(guò)程中

，熔滴向熔池過(guò)渡的穩(wěn)定性對(duì)于成形質(zhì)量至關(guān)重要

，電弧挺度弱于激光、電子束等高能束

，已堆焊沉積層形貌質(zhì)量對(duì)下道次的堆焊表面影響較大

，上一道次形貌特征在WAAM成形技術(shù)中表現(xiàn)出特定時(shí)、空非連續(xù)“遺傳”特性

，尤其是首道次成形

，因基板的表面質(zhì)量、清潔度

、加工狀態(tài)等不盡相同

，因此首道次成形時(shí)應(yīng)采用“強(qiáng)工藝規(guī)范”來(lái)弱化基板對(duì)成形質(zhì)量的影響。圖3對(duì)比分析了在大電流

、相對(duì)較高的送絲速度下首道次TC4合金成形形貌特征

，送絲速度WFS=10m/min時(shí)，首道次成形表面的“隆起”

、“凹陷”缺陷較弱

，成形寬度方向的波動(dòng)性較低

。基于“強(qiáng)工藝規(guī)范”的首道次成形時(shí)

，因不必考慮熔池內(nèi)熔融金屬向兩側(cè)漫流

，即重力對(duì)成形性的影響，向熔池內(nèi)持續(xù)地高速率物質(zhì)輸入以弱化表面張力作用

，使得成形體系成為以熔融態(tài)金屬重力支配作用下的熔覆為主

，可能會(huì)降低成形穩(wěn)定性對(duì)基板特征的敏感程度而獲得連續(xù)、穩(wěn)定一致的成形形貌

。

TIG電弧增材制造因其弧

、絲的非同軸性，在成形路徑復(fù)雜多變時(shí)

，送絲方向與堆焊方向的相位關(guān)系保持依賴(lài)于行走機(jī)構(gòu)

，往往增大了成形、控制系統(tǒng)的復(fù)雜性

?div id="jfovm50" class="index-wrap">；贛IG焊的WAAM雖然熱輸入較高，但成形速率更快

，而且以焊絲作為電極

，弧

、絲具有同軸性

，不存在如TIG電弧增材成形的送絲方向與焊接方向的相位關(guān)系，成形位置的可達(dá)性更高

。Fronius公司基于MIG/MAG開(kāi)發(fā)出冷金屬過(guò)渡（ColdMetalTransfer

，CMT）技術(shù)，因其具有超低熱輸入

、熔滴過(guò)渡無(wú)飛濺

、電弧穩(wěn)定等不同于MIG/MAG的特征，克服了MIG增材成形的諸多弊端而在WAAM成形領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)

。2012年英國(guó)Cranfield大學(xué)研究人員系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)

，如焊速、送絲速度

、焊絲直徑等對(duì)基于CMT方法的WAAM技術(shù)成形形貌（有效寬度

、表面波動(dòng)性等）的影響規(guī)律，以WFS/TS作為歸一化變量

，通過(guò)該比值協(xié)調(diào)調(diào)整焊速及送絲速度

，使得在研究工藝與成形形貌的相互關(guān)系時(shí)，工藝參數(shù)的變化水平具有可表征性

，以WFS/TS=30時(shí)為例

，不同TS水平下成形形貌如圖3所示

。作者并未探討不同的WFS/TS水平下成形件有效寬度的變化規(guī)律，該參量或許可作為有效寬度定量表征的參考量

，因該系數(shù)直接聯(lián)系于單位時(shí)間內(nèi)熔池物質(zhì)輸入效率

，而成形的“隆起”、“凹陷”缺陷應(yīng)與焊速或送絲速度水平相關(guān)

，正如圖3中的成形形貌變化特征

，其調(diào)整的參考量應(yīng)為焊接熱輸入，其成形形貌的變化特征與基于TIG的WAAM技術(shù)類(lèi)似

，增大焊速

、降低送絲速度、減小焊絲直徑均可降低成形件的有效寬度

。近幾年

，我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)

、南昌大學(xué)

、天津大學(xué)等部分高校科研機(jī)構(gòu)也相繼開(kāi)展了WAAM成形技術(shù)的工藝與控制研究工作

，但均處于試驗(yàn)規(guī)律性描述和成形形貌

、表面質(zhì)量控制方法研究階段。增材制造以個(gè)性化

、復(fù)雜化需求為導(dǎo)向

，WAAM獨(dú)特的載能束特征及其強(qiáng)烈的載能束與熱邊界相互作用，決定了針對(duì)不同的材料體系

、結(jié)構(gòu)特征

、尺寸、熱沉條件等

，WAAM成形工藝也不一而同

，可能無(wú)法如其他材料加工技術(shù)那樣制定加工圖或工藝規(guī)范帶，這意味著以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)方法難以面面俱到

，更需要通過(guò)探討WAAM成形物理過(guò)程

，深入認(rèn)識(shí)其成形基礎(chǔ)理論，在材料

、結(jié)構(gòu)

、形狀、路徑改變時(shí)

，成形工藝參數(shù)設(shè)計(jì)有“據(jù)”可依

，以適于自由多變靈活的WAAM成形過(guò)程。目前

，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的探討WAAM成形基礎(chǔ)理論問(wèn)題的文章較少

，僅涉及到成形過(guò)程溫度場(chǎng)的演變及應(yīng)力分布規(guī)律研究[27]

，從溫度場(chǎng)演變規(guī)律出發(fā)，析出熔池?zé)徇吔缫恢滦缘目刂品椒?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，可能?duì)于工藝控形更具意義

，并進(jìn)一步從電弧參數(shù)和材料送進(jìn)對(duì)成形過(guò)程的影響、熔池動(dòng)力學(xué)

、成形表面形貌演化動(dòng)力學(xué)等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題出發(fā)

，揭示電弧增材成形的物理過(guò)程，應(yīng)成為該領(lǐng)域研究工作的核心

。3WAAM成形件性能相比激光

、電子束增材制造技術(shù)而言，電弧的熱輸入較高

，WAAM成形過(guò)程中熔池和熱影響區(qū)的尺寸較大

，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)已成形構(gòu)件將受到移動(dòng)的電弧熱源往復(fù)后熱作用，而且隨著成形高度增大

，基體熱沉作用減弱

，熱耗散條件也發(fā)生變化，每一層的熱歷程不盡相同

，因此

，基于連續(xù)成形過(guò)程中溫度場(chǎng)演變規(guī)律，研究凝固織構(gòu)的晶體學(xué)特征及周期性

，表征不同熱歷程條件下成形件的力學(xué)性能

，成為控性的基礎(chǔ)。

電弧增材成形的本質(zhì)是微鑄自由熔積成形

，逐點(diǎn)控制熔池的凝固組織可減少或避免成分偏析

、縮孔

、凝固裂紋等缺陷的形成

。在圖4TC4鈦合金成形件組織形貌中，可明顯觀察到貫穿于整個(gè)成形件的粗大柱狀初生β晶粒

。初生β晶粒由底層熔池底部外延生長(zhǎng)直至距離頂部1~2mm的位置

，粗大柱狀晶的顏色差異源于不同晶粒的晶體取向差別，晶粒長(zhǎng)大方向幾乎垂直于基體

，這種組織的形成可能是源于首道次堆焊時(shí)

，因采用TC4基體，熔合線(xiàn)附近的基板組織發(fā)生α相向β轉(zhuǎn)變

，在熔合線(xiàn)附近形成完全的β相組織

，然后β相作為形核點(diǎn)經(jīng)外延生長(zhǎng)而快速長(zhǎng)大，下道次成形時(shí)

，在熔合線(xiàn)附近β晶粒繼續(xù)外延長(zhǎng)大

，而在熱影響區(qū)內(nèi)

，發(fā)生粗化，周而復(fù)始最終形成圖4左側(cè)所示的宏觀粗大柱狀β晶粒

。Wang等沿不同方向在TC4單壁成形件不同位置取樣

，并與鍛件對(duì)比，評(píng)價(jià)沿成形方向及垂直于成形方向上成形件力學(xué)性能

。在優(yōu)化工藝參數(shù)下

，雖然沿成形方向和垂直于成形方向抗拉強(qiáng)度存在一定差異，但強(qiáng)度差異并不顯著

。垂直于成形方向的塑性（沿柱狀初生β晶粒方向）顯著優(yōu)于沿成形方向

，比鍛件高30%左右。在本課題組有關(guān)5A06鋁合金電弧增材成形的性能研究中

，獲得了類(lèi)似結(jié)論

，成形件抗拉強(qiáng)度與鍛件基本持平，但塑性顯著提高

。鋁合金組織中并未出現(xiàn)圖4中貫穿整個(gè)構(gòu)件的宏觀柱狀組織

，織構(gòu)擇優(yōu)取向特征可能并非導(dǎo)致塑性提高的誘因，或許與成形過(guò)程中各層熔接特征相關(guān)

，這一猜想有待進(jìn)一步驗(yàn)證

。增材制造最大的優(yōu)勢(shì)在于其復(fù)雜形狀的構(gòu)型能力，現(xiàn)階段的研究工作主要聚焦于控形

，而性能的研究?jī)H限于表征其性能水平

。成形過(guò)程受往復(fù)移動(dòng)瞬時(shí)點(diǎn)熱源的前熱、后熱作用

，凝固織構(gòu)的取向

、分布、晶粒度等必然與成形的熱物理過(guò)程相關(guān)

，因此以溫度場(chǎng)演變特征為契機(jī)

，實(shí)現(xiàn)形性一體化控制是增材制造有別于傳統(tǒng)減材、等材加工方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

。WAAM在航空制造中應(yīng)用前景隨輕量化

、高機(jī)動(dòng)性先進(jìn)航空飛行器的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件也向著輕量化

、大型化

、整體化改進(jìn)，低成本高效地制造高可靠性

、功能結(jié)構(gòu)一體化的大型航空結(jié)構(gòu)件成為航空制造技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)

。電弧增材制造以連續(xù)“線(xiàn)”作為基本構(gòu)型單元，適于機(jī)體內(nèi)部框架

、加強(qiáng)肋及壁板結(jié)構(gòu)的快速成形

。目前

，大型整體鈦、鋁合金結(jié)構(gòu)在飛行器上的應(yīng)用越來(lái)越多

，雖然大型一體化結(jié)構(gòu)件可顯著減輕結(jié)構(gòu)重量

，但這種結(jié)構(gòu)給傳統(tǒng)減材、等材加工制造帶來(lái)巨大困難

。如美國(guó)F35的主承力構(gòu)件仍需幾萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)壓制成形

，后期需要大量繁瑣的銑削、打磨等工序

，制造周期長(zhǎng)

。大型框架、整體筋板加強(qiáng)筋和加強(qiáng)肋的增材制造等強(qiáng)烈依賴(lài)于機(jī)加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)件采用增材制造

，可逾越國(guó)外對(duì)我國(guó)大噸位

、高自由度機(jī)加工設(shè)備的技術(shù)封鎖，推進(jìn)我國(guó)先進(jìn)航空飛行器研發(fā)進(jìn)度

。此外

，受限于傳統(tǒng)加工技術(shù)，現(xiàn)代飛機(jī)零部件可能在結(jié)構(gòu)

、重量

、形狀等諸多方面有所妥協(xié)，以便于加工制造

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；谠霾闹圃旒夹g(shù)在構(gòu)型能力上的優(yōu)勢(shì)，面向電弧增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

，具有更大的設(shè)計(jì)自由度

，可顯著降低結(jié)構(gòu)重量。EADS公司為空客激光增材制造了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)翼支架

，比使用鑄造的支架減重約40%

，踐行了面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路，尤其面對(duì)大型結(jié)構(gòu)件

，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可能會(huì)在減重方面具有更顯著的效果

。

2015年11月，紐約州已與Norsk Titanium達(dá)成“公

、私合作協(xié)議”，紐約州將投資1.25億美元建工業(yè)規(guī)模的3D打印工廠

，廠址設(shè)在紐約州Plattsburgh市

。其主要成形技術(shù)為電弧填絲增材制造，預(yù)計(jì)2016年竣工

，該增材制造工廠首要目標(biāo)是改變目前航空結(jié)構(gòu)件大余量的鈦金屬去除狀況

，實(shí)現(xiàn)高效

、低成本、高材料利用率地制造航空零部件

。Norsk Titanium公司制造的某電弧增材成形零件成本可降低50%~70%

，可縮短75%的產(chǎn)品上市時(shí)間。發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)不論是替代傳統(tǒng)加工制造的部分環(huán)節(jié)

，還是基于靈活的構(gòu)型能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)

，電弧增材制造技術(shù)付諸實(shí)踐還需經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的發(fā)展完善過(guò)程。2012年3月

，美國(guó)白宮宣布振興美國(guó)制造的新舉措

，投資10億美金幫助美國(guó)制造進(jìn)行體系改革，增材制造作為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)計(jì)劃的三大背景技術(shù)之一

，旨在通過(guò)改善增材制造材料

、裝備及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的小批量

、低成本數(shù)字化制造

。英、德

、法等國(guó)家也相繼推出相關(guān)措施

，推動(dòng)本國(guó)增材制造技術(shù)的發(fā)展。英國(guó)在電弧增材制造研究領(lǐng)域處于國(guó)際前沿

，以Cranfield大學(xué)為代表的一批研究機(jī)構(gòu)在政府立項(xiàng)

、企業(yè)出資參與下，針對(duì)電弧增材自動(dòng)化控制

、成形件力學(xué)性能研究

、殘余應(yīng)力及變形控制、復(fù)雜形狀構(gòu)件成形路徑規(guī)劃和工業(yè)化應(yīng)用準(zhǔn)則等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究

，并逐步建立起政府

、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的多層次研團(tuán)隊(duì)梯隊(duì)

，與Airbus

、Rolls-Royce、BAESystem

、BombardierAerospace

、Astrium、EADS等一大批航空航天企業(yè)建立并開(kāi)展廣泛研究合作

，研究目標(biāo)對(duì)接工業(yè)化應(yīng)用

。增材制造的優(yōu)勢(shì)就在于工序簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)直接面對(duì)客戶(hù)的制造，可省略其中環(huán)節(jié)而極大縮短研發(fā)周期

。對(duì)增材制造而言

，建立多層次多結(jié)構(gòu)的研發(fā)體系，客戶(hù)直接參與到制造中才能盡其所能地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)

。我國(guó)正處于推進(jìn)“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變時(shí)期

，增材制造技術(shù)對(duì)增強(qiáng)我國(guó)產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”邁進(jìn)有重要意義

。增材制造技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天

、汽車(chē)、生物醫(yī)療

、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用

，涌現(xiàn)出一批具備一定競(jìng)爭(zhēng)力的骨干企業(yè)。但我國(guó)電弧增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段

，與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大差距

，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化

、工程化應(yīng)用還有一定距離

。關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破，裝備及核心器件

、成形材料

、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，政策與標(biāo)準(zhǔn)體系有待建立

，缺乏有效的協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)制

。尤其對(duì)我國(guó)電弧增材制造技術(shù)而言，其系統(tǒng)的研究工作起步相對(duì)較晚

，較英國(guó)有一定的差距

，應(yīng)該在加快提升電弧增材制造技術(shù)水平的同時(shí)，加速發(fā)展其必備的核心器件

，并就建立和完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系等方面加快推進(jìn)計(jì)劃

，以政府及國(guó)家規(guī)劃為導(dǎo)向，鼓勵(lì)更多的直接面向客戶(hù)的企業(yè)參與其中

，力爭(zhēng)在短期內(nèi)初步建立較為完善的產(chǎn)業(yè)體系

，整體技術(shù)水平保持與國(guó)際同步，在航空航天等制造領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

。

(責(zé)任編輯：admin)

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