Leçon 8.8FaçonnerChapitre 8 · Fabrication additive

Fabrication additive par arc et fil (WAAM)

Un robot de soudage empile du fil fondu à l'arc en cordons (dépôt d'énergie dirigée)

La fabrication additive par arc et fil (WAAM) est de l'impression 3D avec un robot de soudage. Un arc électrique fait fondre un fil de soudage ordinaire, et le robot empile cordon après cordon en une pièce qui peut mesurer plusieurs mètres. C'est le moyen le moins cher et le plus rapide d'imprimer de grandes pièces métalliques, des hélices de navires à une passerelle piétonne.

Cellule robotisée WAAM · gros plan de l'arc et coupe à travers la paroi, 5 étapesEn haut à gauche : la cellule robotisée. En haut à droite : gros plan de la pointe de la torche. En bas : une coupe à travers la paroi avant et après usinage. Les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Dévider le fil. Un dévidoir tire du fil de soudage, généralement d'environ 1–1,6 mm d'épaisseur, depuis une bobine et le pousse dans la torche.
Amorcer l'arc. Un arc électrique (une étincelle continue, chaude de milliers de degrés) saute de la pointe du fil à la pièce. Il fait fondre le fil, et des gouttelettes tombent dans un bain de fusion au sommet de la paroi.
Protéger le bain. Le gaz qui sort de la buse, généralement de l'argon ou un mélange d'argon, tient l'air à distance. Sans lui, le métal chaud s'oxyderait (réagirait avec l'oxygène) et deviendrait fragile et poreux.
Empiler les cordons. Le robot déplace la torche le long de la paroi, et le bain se fige en un cordon derrière elle. Après chaque couche, la torche monte d'environ 1–2 mm et dépose la suivante.
Refroidir, puis usiner. Chaque couche doit refroidir un peu avant la suivante, sinon la paroi s'affaisse. À la fin, une fraiseuse rend plans les côtés ondulés à la cote finale.

Chiffres clés

Matériaux: Presque tout fil soudable : aciers au carbone et inoxydables, aluminium, titane, alliages de nickel et bronze
Pièces typiques: Grandes pièces quasi définitives (proches de la forme finale, nécessitant encore un usinage) : hélices, raccords de tuyauterie, brides, cadres aéronautiques, structures architecturales
Taille de pièce: D'environ 0,2 m à plusieurs mètres, limité par la portée du robot, ses rails ou un portique
Précision: Environ ±0,5–1 mm brut de fabrication ; l'usinage l'amène à environ ±0,05 mm
État de surface: Rugueux et ondulé brut de fabrication, avec des ondulations qu'on sent au toucher ; les faces usinées sont lisses
Taille de série adaptée: Pièces uniques et petites séries de grandes pièces
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage. Construit à partir de robots de soudage et de sources de puissance standard : généralement quelques centaines de milliers de dollars, bien moins que les systèmes laser. Le fil coûte bien moins cher que la poudre métallique
Vitesse: Généralement 1–4 kg de métal par heure, environ dix fois plus rapide que la fusion sur lit de poudre

Atouts et limites

Atouts

Très haute vitesse de dépôt pour les grandes pièces
Équipement peu coûteux et fil bon marché
Presque aucune limite de taille : le robot peut se déplacer sur des rails
Peu de métal perdu comparé à l'usinage dans un bloc plein

Limites

Surfaces rugueuses et ondulées : un usinage est toujours nécessaire
Détail grossier : pas de petits trous, de parois minces ni de détails fins
La chaleur crée des contraintes et des déformations : les pièces peuvent gauchir
Attendre le refroidissement de chaque couche ralentit la fabrication

Où on l'utilise

MaritimeHélices de navires et pales d'hélices en bronze
AéronautiqueGrandes pièces en titane et en aluminium imprimées comme ébauches, puis usinées
Pétrole, gaz et énergieRaccords de tuyauterie, brides et corps de vannes, souvent comme pièces de rechange rapides
Construction et architectureNœuds et structures en acier, comme une passerelle piétonne imprimée à Amsterdam
EspaceTuyères de fusées et grandes pièces de structure

Comment le reconnaître

Des parois faites de cordons de soudure empilés bien visibles, comme une corde enroulée.
Souvent une teinte de chauffe arc-en-ciel (couleurs paille, bleue et violette) sur les surfaces en acier et en titane.
Une épaisse plaque de base encore attachée, ou des traces de scie là où elle a été coupée.
Des faces planes usinées juste à côté de faces brutes et ondulées.

À comparer avec

Dépôt par énergie dirigée8.7la même idée de souder sur place avec un laser et de la poudre : plus fin et plus précis, mais plus lent et plus coûteux.Soudage à l'arc7.1Le WAAM utilise les mêmes torches et le même fil ; il empile des cordons en une forme au lieu de joindre deux pièces.Moulage en sable1.1fabrique aussi de grandes pièces métalliques, mais exige un modèle et un moule ; le WAAM n'en exige aucun, il convient donc aux pièces uniques.

À regarder

theworacle · Une démonstration de laboratoire de WAAM de titane, avec laminage de la paroi entre les couches

MX3D · Un robot imprime une tuyère de fusée cordon par cordon

MX3D · Une grande roue à aubes imprimée vue de près

MX3D · La passerelle en acier inoxydable imprimée, hissée en place au-dessus d'un canal

Voir de vraies photos

Wikipédia : Dépôt par énergie dirigée — la famille de procédés à laquelle appartient le WAAM ; texte avec peu de photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons
Recherche Wikimedia Commons : MX3D bridge — photos de la passerelle en acier imprimée

À retenir

Le WAAM est du soudage à l'arc robotisé utilisé pour empiler des cordons en une pièce.
C'est la voie la plus rapide et la moins chère vers de grandes pièces métalliques, mais elles sortent rugueuses.
Attendez-vous à usiner chaque surface fonctionnelle après l'impression.