ワイヤーアーク積層造形（WAAM）

しくみ

ワイヤーを送る。 送給装置が、通常 1–1.6 mm ほどの太さの溶接ワイヤーをスプールから引き出し、トーチの中へ押し込みます。
アークを出す。 電気アーク（数千度にもなる、連続した火花）がワイヤーの先端から部品へ飛びます。ワイヤーが溶け、液滴が壁の上にできた溶融池へ落ちます。
溶融池を保護する。 ノズルから流れ出るガス、通常はアルゴンかアルゴン混合ガスが、空気を遠ざけます。これがないと、高温の金属は酸化（酸素と反応）し、弱くて気孔の多い状態になってしまいます。
ビードを積み重ねる。 ロボットがトーチを壁に沿って動かすと、溶融池はその後ろでビードとして固まります。1 層ごとに、トーチは約 1–2 mm 上がり、次の層を敷きます。
冷やしてから機械加工する。 次の層の前に、各層を少し冷まさないと壁がたるみます。最後に、フライス盤が波状の側面を平らに削り、最終寸法に仕上げます。

主なポイント

材料: 溶接できるワイヤーならほぼ何でも：炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、青銅
代表的な部品: 大型のニアネットシェイプ部品（最終形状に近く、まだ機械加工が必要）：プロペラ、管継手、フランジ、航空宇宙のフレーム、建築構造物
部品サイズ: 約 0.2 m から数メートルまで。ロボットの届く範囲、レール、ガントリーで決まります
精度: 造形したままで約 ±0.5–1 mm。機械加工すれば約 ±0.05 mm
表面仕上げ: 造形したままでは粗く波打ち、手で感じられるさざ波がある。機械加工した面はなめらか
向いているロット数: 大型部品の 1 点ものと少量生産
金型・設備コスト: 金型は不要。標準的な溶接ロボットと電源でつくれ、通常は数十万ドルと、レーザーシステムよりはるかに安い。ワイヤーは金属粉末よりずっと安価
速度: 通常は 1 時間に金属 1–4 kg で、粉末床溶融結合の約 10 倍の速さ

強みと限界

強み

大型部品でも造形速度が非常に高い
設備が低コストで、ワイヤーも安い
サイズの制限がほぼない：ロボットをレールに載せられる
中身の詰まった塊から削り出すのに比べて、無駄になる金属が少ない

限界

表面が粗く波打つ：機械加工が必ず必要
ディテールが粗い：小さな穴、薄い壁、細かいフィーチャーはできない
熱で応力と歪みがたまり、部品が反ることがある
各層の冷却を待つので、造形が遅くなる

使われる場所

海事青銅製の船のプロペラとプロペラブレード
航空宇宙ブランクとしてプリントし、あとで機械加工する大型のチタンやアルミニウム部品
石油・ガスとエネルギー管継手、フランジ、バルブ本体。緊急の予備部品として使われることが多い
建設と建築アムステルダムのプリントされた歩行者用の橋のような、鋼のノードや構造物
宇宙ロケットスラスターと大型の構造部品

見分け方

ロープを巻いたように、溶接ビードが積み重なっているのが見える壁。
鋼やチタンの表面に、虹色の熱による変色（麦わら色、青、紫）が出ていることがよくあります。
厚いベースプレートがまだ付いているか、切り離した跡の、のこぎりの跡が残っています。
機械加工された平らな面が、粗くさざ波のある面のすぐ隣にあります。

比較

指向性エネルギー堆積8.7レーザーと粉末で、同じく溶かしながらその場で積み上げる考え方です。より細かく精密ですが、遅く、コストも高くなります。アーク溶接7.1WAAM は同じトーチとワイヤーを使いますが、2 つの部品を接合するのではなく、ビードを積み上げて形をつくります。砂型鋳造1.1こちらも大型の金属部品をつくれますが、模型と型が必要です。WAAM はどちらも不要なので、1 点ものに向きます。

動画を見る

theworacle · チタンの WAAM の実験室デモ。層の間で壁をローラーで押す様子も

MX3D · ロボットが、ロケットスラスターをビードごとにプリントする様子

MX3D · プリントされた大型インペラーを間近で

MX3D · 運河の上に吊り上げて設置される、プリントされたステンレス鋼の橋

実写真を見る

Wikipedia: 指向性エネルギー堆積 — WAAM が属するプロセスファミリー。テキスト中心で、写真は少なめ
Wikimedia Commons の写真検索
Wikimedia Commons 検索：MX3D bridge — プリントされた鋼の橋の写真

覚えておこう

WAAM は、ロボットによるアーク溶接でビードを積み上げ、部品にします。
大型の金属部品を得る、最速で最も安い方法ですが、仕上がりは粗くなります。
プリント後は、機能する面をすべて機械加工するつもりでいましょう。