Lektion 8.8UrformenKapitel 8 · Additive Fertigung

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Ein Schweißroboter stapelt lichtbogengeschmolzenen Draht zu Raupen (Auftragschweißen mit gerichteter Energie)

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist 3D-Druck mit einem Schweißroboter. Ein Lichtbogen schmilzt gewöhnlichen Schweißdraht, und der Roboter stapelt Raupe auf Raupe zu einem Teil, das meterlang sein kann. Es ist der günstigste und schnellste Weg, große Metallteile zu drucken, von Schiffspropellern bis zu einer Fußgängerbrücke.

WAAM-Roboterzelle · Detailansicht des Lichtbogens und ein Schnitt durch die Wand, 5 SchritteOben links: die Roboterzelle. Oben rechts: eine Detailansicht der Brennerspitze. Unten: ein Schnitt durch die Wand vor und nach der Bearbeitung. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Den Draht zuführen. Ein Vorschubgerät zieht Schweißdraht, typischerweise etwa 1–1,6 mm dick, von einer Spule und schiebt ihn durch den Brenner.
Den Lichtbogen zünden. Ein Lichtbogen (ein dauerhafter Funke, Tausende Grad heiß) springt von der Drahtspitze zum Teil. Er schmilzt den Draht, und Tröpfchen fallen in ein Schmelzbad oben auf der Wand.
Das Schmelzbad schützen. Gas, das aus der Düse strömt, meist Argon oder ein Argongemisch, hält Luft fern. Ohne es würde das heiße Metall oxidieren (mit Sauerstoff reagieren) und schwach und porös werden.
Die Raupen stapeln. Der Roboter zieht den Brenner entlang der Wand, und das Schmelzbad erstarrt hinter ihm zu einer Raupe. Nach jeder Lage hebt sich der Brenner um etwa 1–2 mm und legt die nächste.
Abkühlen, dann bearbeiten. Jede Lage muss etwas abkühlen, bevor die nächste kommt, sonst sackt die Wand ab. Am Ende fräst eine Fräsmaschine die welligen Seiten auf das Endmaß eben.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Fast jeder schweißbare Draht: Kohlenstoff- und Edelstähle, Aluminium, Titan, Nickellegierungen und Bronze
Typische Teile: Große endkonturnahe Teile (nahe an der Endform, aber noch zu bearbeiten): Propeller, Rohrverbinder, Flansche, Rahmen für die Luftfahrt, architektonische Strukturen
Bauteilgröße: Von etwa 0,2 m bis zu mehreren Metern, begrenzt durch die Reichweite des Roboters, seine Schienen oder ein Portal
Präzision: Etwa ±0,5–1 mm im Rohzustand; die Bearbeitung bringt es auf etwa ±0,05 mm
Oberfläche: Im Rohzustand rau und wellig, mit Rillen, die man fühlen kann; bearbeitete Flächen sind glatt
Geeignete Losgröße: Einzelstücke und kleine Serien großer Teile
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug. Gebaut aus Standard-Schweißrobotern und -Stromquellen: typischerweise einige Hunderttausend Dollar, viel weniger als Lasersysteme. Draht kostet weit weniger als Metallpulver
Geschwindigkeit: Typischerweise 1–4 kg Metall pro Stunde, etwa zehnmal schneller als Pulverbettfusion

Stärken und Grenzen

Stärken

Sehr hohe Aufbaurate bei großen Teilen
Günstige Ausrüstung und billiger Draht
Fast keine Größenbegrenzung: Der Roboter kann auf Schienen fahren
Wenig verschwendetes Metall im Vergleich zum Zerspanen aus dem Vollen

Grenzen

Raue, wellige Oberflächen: Bearbeitung ist immer nötig
Grobe Details: keine kleinen Löcher, dünnen Wände oder feinen Strukturen
Wärme baut Spannungen und Verzug auf, daher können sich Teile verziehen
Das Warten auf das Abkühlen jeder Lage verlangsamt den Aufbau

Wo es eingesetzt wird

SchifffahrtSchiffspropeller und Propellerblätter aus Bronze
Luft- und RaumfahrtGroße Titan- und Aluminiumteile, als Rohlinge gedruckt und dann bearbeitet
Öl, Gas und EnergieRohrverbinder, Flansche und Ventilgehäuse, oft als schnelle Ersatzteile
Bau und ArchitekturStahlknoten und -strukturen, etwa eine gedruckte Fußgängerbrücke in Amsterdam
RaumfahrtRaketentriebwerke und große Strukturteile

So erkennen Sie es

Wände aus sichtbar gestapelten Schweißraupen, wie ein aufgerolltes Seil.
Oft eine regenbogenfarbene Anlauffarbe (strohgelbe, blaue und violette Töne) auf Stahl- und Titanoberflächen.
Eine dicke Grundplatte, die noch daran hängt, oder Sägespuren, wo sie abgetrennt wurde.
Bearbeitete plane Flächen direkt neben rauen, gerillten.

Im Vergleich mit

Auftragschweißen mit gerichteter Energie (DED)8.7dieselbe Idee des Aufschweißens an Ort und Stelle mit einem Laser und Pulver: feiner und präziser, aber langsamer und teurer.Lichtbogenschweißen7.1WAAM nutzt dieselben Brenner und denselben Draht; es stapelt Raupen zu einer Form, statt zwei Teile zu verbinden.Sandguss1.1stellt ebenfalls große Metallteile her, braucht aber ein Modell und eine Form; WAAM braucht keines von beiden und eignet sich daher für Einzelstücke.

Ansehen

theworacle · Eine Labor-Demo von Titan-WAAM, einschließlich des Walzens der Wand zwischen den Lagen

MX3D · Ein Roboter druckt ein Raketentriebwerk Raupe für Raupe

MX3D · Ein großes gedrucktes Laufrad aus der Nähe

MX3D · Die gedruckte Edelstahlbrücke wird über einen Kanal an ihren Platz gehoben

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Directed Energy Deposition — die Verfahrensfamilie, zu der WAAM gehört; Text mit wenigen Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons
Wikimedia-Commons-Suche: MX3D-Brücke — Fotos der gedruckten Stahlbrücke

Merken

WAAM ist robotergestütztes Lichtbogenschweißen, das Raupen zu einem Teil stapelt.
Es ist der schnellste, günstigste Weg zu großen Metallteilen, aber sie kommen rau heraus.
Rechnen Sie damit, jede Funktionsfläche nach dem Drucken zu bearbeiten.