Bài 8.8Tạo hình ban đầuChương 8 · Sản xuất bồi đắp

Sản xuất bồi đắp hồ quang dây (WAAM)

Robot hàn xếp chồng dây nóng chảy bằng hồ quang thành các đường hàn (lắng đọng năng lượng định hướng)

Sản xuất bồi đắp hồ quang dây (WAAM) là in 3D bằng robot hàn. Hồ quang điện làm chảy dây hàn thông thường, và robot xếp hết đường hàn này đến đường hàn khác thành chi tiết có thể dài hàng mét. Đây là cách rẻ nhất và nhanh nhất để in chi tiết kim loại lớn, từ chân vịt tàu thủy đến một cây cầu đi bộ.

Cụm robot WAAM · cận cảnh hồ quang và mặt cắt xuyên thành, 5 bướcTrên trái: cụm robot. Trên phải: cận cảnh đầu mỏ hàn. Dưới: mặt cắt xuyên thành trước và sau khi gia công. Các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Cấp dây. Bộ cấp dây kéo dây hàn, thường dày khoảng 1–1,6 mm, từ ống cuộn và đẩy nó qua mỏ hàn.
Mồi hồ quang. Một hồ quang điện (tia lửa liên tục, nóng hàng nghìn độ) nhảy từ đầu dây đến chi tiết. Nó làm chảy dây, và các giọt rơi vào vũng nóng chảy trên đỉnh thành.
Bảo vệ vũng hàn. Khí thoát ra từ vòi, thường là argon hoặc hỗn hợp argon, giữ không khí ra xa. Không có nó, kim loại nóng sẽ bị oxy hóa (phản ứng với oxy) và trở nên yếu, xốp.
Xếp chồng các đường hàn. Robot kéo mỏ hàn dọc theo thành, và vũng nóng chảy đông lại thành một đường hàn phía sau nó. Sau mỗi lớp, mỏ hàn nâng lên khoảng 1–2 mm và đặt lớp tiếp theo.
Làm nguội, rồi gia công. Mỗi lớp phải nguội một chút trước lớp kế tiếp, nếu không thành sẽ võng xuống. Cuối cùng, máy phay cắt các mặt bên gợn sóng cho phẳng đúng kích thước cuối.

Thông số chính

Vật liệu: Hầu như mọi dây hàn được: thép cacbon và thép không gỉ, nhôm, titan, hợp kim niken và đồng thanh
Chi tiết thường gặp: Chi tiết lớn gần hoàn chỉnh (gần với hình dạng cuối, vẫn cần gia công): chân vịt, phụ kiện ống, mặt bích, khung hàng không vũ trụ, kết cấu kiến trúc
Kích thước chi tiết: Từ khoảng 0,2 m đến vài mét, bị giới hạn bởi tầm với của robot, đường ray hoặc giàn của nó
Độ chính xác: Khoảng ±0,5–1 mm khi vừa in; gia công đưa về khoảng ±0,05 mm
Bề mặt hoàn thiện: Nhám và gợn sóng khi vừa in, với những gợn bạn sờ thấy được; mặt gia công thì nhẵn
Số lượng phù hợp: Chiếc đơn lẻ và lô nhỏ chi tiết lớn
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn dụng cụ. Được xây từ robot hàn và nguồn điện tiêu chuẩn: thường vài trăm nghìn USD, rẻ hơn nhiều so với hệ thống laser. Dây rẻ hơn nhiều so với bột kim loại
Tốc độ: Thường 1–4 kg kim loại mỗi giờ, nhanh hơn khoảng mười lần so với nung chảy lớp bột

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Tốc độ xây dựng rất cao cho chi tiết lớn
Thiết bị chi phí thấp và dây rẻ
Gần như không giới hạn kích thước: robot có thể chạy trên đường ray
Ít lãng phí kim loại so với gia công từ khối đặc

Hạn chế

Bề mặt nhám, gợn sóng: luôn cần gia công
Chi tiết thô: không có lỗ nhỏ, thành mỏng hay chi tiết tinh
Nhiệt tích tụ gây ứng suất và biến dạng, nên chi tiết có thể cong vênh
Chờ mỗi lớp nguội làm chậm quá trình in

Ứng dụng

Hàng hảiChân vịt tàu thủy và cánh chân vịt bằng đồng thanh
Hàng không vũ trụChi tiết lớn bằng titan và nhôm in thành phôi, rồi gia công
Dầu khí và năng lượngPhụ kiện ống, mặt bích và thân van, thường làm nhanh để làm phụ tùng thay thế
Xây dựng và kiến trúcMắt nối và kết cấu thép, như cây cầu đi bộ in 3D ở Amsterdam
Không gianĐộng cơ đẩy tên lửa và chi tiết kết cấu lớn

Cách nhận biết

Thành được tạo từ các đường hàn xếp chồng thấy rõ, như một cuộn dây thừng.
Thường có màu nhiệt cầu vồng (các màu rơm, xanh dương và tím) trên bề mặt thép và titan.
Một tấm đế dày vẫn còn dính, hoặc vết cưa nơi nó bị cắt ra.
Các mặt phẳng đã gia công nằm ngay cạnh các mặt nhám, gợn sóng.

So sánh với

Lắng đọng năng lượng định hướng8.7cùng ý tưởng hàn tại chỗ với laser và bột: mịn hơn và chính xác hơn, nhưng chậm hơn và đắt hơn.Hàn hồ quang7.1WAAM dùng cùng mỏ hàn và dây; nó xếp chồng các đường hàn thành hình dạng thay vì nối hai chi tiết.Đúc cát1.1cũng tạo chi tiết kim loại lớn, nhưng cần mẫu và khuôn; WAAM không cần cả hai, nên phù hợp với chiếc đơn lẻ.

Xem video

theworacle · Một minh họa phòng thí nghiệm về WAAM titan, kể cả cán thành giữa các lớp

MX3D · Một robot in động cơ đẩy tên lửa từng đường hàn một

MX3D · Một cánh bơm lớn đã in nhìn cận cảnh

MX3D · Cây cầu thép không gỉ đã in được nâng vào vị trí trên một con kênh

Xem ảnh thật

Wikipedia: Lắng đọng năng lượng định hướng — họ quy trình mà WAAM thuộc về; văn bản với ít ảnh
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons
Tìm kiếm Wikimedia Commons: MX3D bridge — ảnh cây cầu thép đã in

Ghi nhớ

WAAM là hàn hồ quang bằng robot dùng để xếp chồng các đường hàn thành chi tiết.
Đây là con đường nhanh nhất, rẻ nhất đến chi tiết kim loại lớn, nhưng chúng ra khá nhám.
Hãy chờ đợi phải gia công mọi bề mặt chức năng sau khi in.