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低成本、高效率的国产等离子弧送丝金属3D打印系统来了

导读:最近一两个月,我国开始对微铸锻金属3D打印技术进行出口限制,美国也开始对某些复合增材制造技术进行出口管制。南极熊发现,两者限制和管制的,都在国防军工、核电等领域有着强大应用潜力的重工业相关的3D打印技术。现在,另一种适合重工业领域应用的低成本、高效率的国产等离子弧送丝金属3D打印系统来了。

△等离子弧金属3D打印成形实拍

如今,增材制造已经逐渐被大众认知,从人尽皆知的非金属增材制造,到因成本过高而使很多难以企及的金属增材制造,增材制造已经从一个笼统的概念细分到了众多领域,并在各行各业发挥着增材制造独有的优势。在比较常见的金属增材制造方式中,选区激光熔化增材制造(简称SLM)成形零件尺寸可控且精密,性能较高,但效率低、成本高、成形尺寸受限;激光近净成形增材制造(简称LENS)成形零件尺寸基本不受限制,尤其随着目前万瓦激光器的普及,成形效率得到了极大的提升,且性能与锻件相当,但同样由于成形成本高,难以在民用领域广泛应用。

△等离子弧送丝金属3D打印高温合金典型框部件(GH3536,尺寸达980mm*500mm*55mm,毛坯重量80kg)和V形件(GH4169)(航空航天)

2020年10月21日,精合集团相关负责人告诉南极熊,鉴于金属增材制造在民用领域的应用极大程度的受零件制造成本以及质量、性能的影响,精合集团的两家全资子公司西安鑫精合智能制造有限公司与天津镭明激光科技有限公司共同研发了等离子弧送丝增材制造系统(LiM-P-WAAM),该设备的研发成功将会使得金属增材制造的应用更加广泛。

等离子弧送丝增材制造设备构成

等离子弧送丝增材制造(P-WAAM,Plasma-Wire and Arc Additive Manufacture)由等离子弧作为热源,扫描经由零件分层得到的成形路径,在金属基板上形成一个移动的熔池,将外部填充的金属丝材熔化而成的金属熔滴,不断的送入熔池,通过在成形路径上逐层累积金属材料,实现零件的成形。

△等离子弧送丝增材设备主要参数

LiM-P-WAAM包含等离子增材电源、增材机械结构、增材电气控制系统、增材专用路径软件、增材专用工艺等子系统。

△等离子弧增材设备

△等离子弧增材制造原理

等离子弧送丝增材制造系统以等离子电源作为热源,能量密度可达106W/cm2以上,与激光相当。

原创矢量跟随送丝系统

目前市面上等离子弧增材设备的送丝夹具固定在焊枪上,无法跟随焊枪移动方向的改变而改变送丝方向。LiM-P-WAAM实现了无论扫描路径如何变换,送丝方向始终保持前侧向送丝,这项技术属于世界首创,解决了送丝方向与成形方向不同而导致的成形缺陷这个电弧送丝技术的世界性难题,保证了各方向打印同性。其成形过程中焊接电流、送丝速度可单独控制,在成形不同材料时,工艺参数可选择性更多;成形原材料为金属丝材,相对于激光粉末增材,材料利用率更高、成形效率更高。

LiM-P-WAAM尺寸支持定制,可实现大尺寸金属构件的增材制造以及各种金属构件的修复再制造。具有设备成本低、容易改装、沉积速率高、节约原材料、不受尺寸限制和易于实时修复等诸多优点。

自研等离子弧送丝增材制造软件


△前处理软件分区及路径规划示例

天津镭明自主研发前处理软件LiMAMS-WAAM,可实现四轴程序自动剖分,不仅具有传统前处理软件的功能,而且针对等离子成形的特点开发出诸多子程序,支持成形工艺参数自定义,如分区、层厚、路径轨迹、送丝速度、焊接速度、焊接电流等参数均可自主设定,实现成形完全自动化。

△前处理软件界面

材料和性能分析

等离子弧送丝增材制造可成形材料包括铝合金、镁合金、各类钢合金、高温合金、钛合金等,几乎可做成丝材的金属材料均可进行等离子增材成形;性能与激光近净成形性能相当,部分材料的性能高于锻件标准。

△TC4 性能指标参数

△GH3536性能指标参数

金属3D打印部件展示


△等离子弧送丝金属3D打印钛合金TC4椎体(核电行业)

△等离子弧送丝金属3D打印钛合金上下盖板(核电行业)

△等离子弧送丝金属3D打印筒体(内壁致密无缺陷)

应用分析

等离子弧送丝增材制造成形可实现各种大尺寸金属构件的增材制造以及各种金属构件的修复再制造。相比传统锻件机加工更节约材料,具有低成本、高效率的优势。

特殊材料(如高温合金、钛合金等)采用锻造机加方式成形周期长、费用高。采用等离子弧送丝增材成形可缩短周期、降低成本;对一些难以直接机加成形的部件,更适合采用等离子增材成形。

等离子弧送丝增材成形不仅可以增材成形,而且可以用于等离子自动化焊接、等离子增材修复等关键工序。

成本分析

等离子增材成形设备不仅具有效率高、性能优的特点,而且成本较低。等离子电源已实现国产化,核心部件电源成本仅相当于激光器的1/10,电子束发生器的1/30,成本优势相当可观;成形所需原材料为丝材,同种材料的金属丝材成本仅相当于金属粉末的1/3,原材料价格极具竞争力。等离子弧送丝增材设备,成形效率高,送丝速度可达5m/min,效率可达350cm3/h,钛合金成形可达到1.5Kg/h,高温合金甚至达到3Kg/h,与万瓦激光器满功率效率相当;等离子弧送丝增材设备成形铝合金、钢合金、高温合金等材料无需惰性气体保护,进一步降低了成形成本。

精合集团经过快速发展,现已经下设沈阳精合数控科技开发有限公司、天津镭明激光科技有限公司、西安鑫精合智能制造有限公司、潍坊鑫精合智能装备有限公司等多家公司。精合集团以金属增材制造(3D打印)为依托,面向航天、航空、航海、核电等高端制造领域,采用自主知识产权,专业从事金属增材制造设计与优化、复杂金属构件定制化3D打印制造、产品再制造与修复等服务,研发制造的多项产品已经在超高速飞行器、卫星、火箭、舰载机、无人机等行业进行批量应用,对我国的国防行业有重要意义。


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