取PBF和WAAM两家之长，工程师开发出用于小型金属零件的新型μ-WAAM技术

2022年2月10日，南极熊获悉，里斯本NOVA大学的一个研究小组开发了一种新形式的线弧增材制造（WAAM），专门为小零件和精细特征细节而设计。

值得注意的是，这项命名为μ-WAAM的高精度3D打印技术使用的原料是直径仅为250微米的金属线材料。就市场背景而言，传统的WAAM通常使用直径在1毫米以上的金属丝。它旨在提供精度和打印速度，将粉末床熔融（PBF）的分辨率与传统WAAM的沉积率和材料效率相结合。

据NOVA的研究人员说，新的μ-WAAM方法特别适合于制造薄壁和其他复杂的结构，而在大规模的WAAM方面会有困难。

△μ-WAAM 3D打印机的细节。图片来自里斯本国立大学。

PBF与WAAM 3D打印

如果你正在寻找较小规模的制造金属部件，PBF是3D打印技术的首选。这种方法是利用激光或电子束在粉末床中熔化和融合粉末原料，在每一层之后进行重涂和重印，以制造固体三维部件。由于使用点状激光，PBF提供了较高的几何精度，但却受到低沉积率和高粉末浪费的制约。

△与选择性激光熔化（SLM）和传统WAAM相比，使用μ-WAAM的理由示意图，其目标是同时提高沉积率和零件精度。图片来自里斯本国立大学。

另一方面，那些寻求大型部件生产的人可能会发现，选择线进式定向能量沉积（DED）工艺是有用的。虽然WAAM的打印分辨率较低，但它拥有相对较高的材料沉积率，使其非常适合于海事等行业的大型部件应用。

△通过WAAM 3D打印的大型部件存在分辨率低的问题。照片来自WAAM3D有限公司。

μ-WAAM 3D打印机

为了将两个领域特定技术的优点结合起来，NOVA的研究人员开发了一个定制的μ-WAAM电弧焊枪和一个小型龙门系统。很像一台普通的FFF机器，μ-WAAM打印机是基于笛卡尔坐标系，并利用线性轴承和传统的步进电机。

据该团队称，送丝装置的灵感来自FFF 3D打印机中的长丝挤出机，一个驱动齿轮由一个压缩在径向轴承下的步进电机驱动。

为了与送丝装置建立电接触，该团队使用了一个0.3毫米的黄铜喷嘴。此外，一个标准的12V/100Ah电池被用作动力源。在这种情况下，需要一个电池，因为传统的焊接源根本无法提供足够的I-V特性来产生这样一个小的焊接电弧。诺瓦公司的研究人员甚至整合了氩气保护气体，以避免工艺引起的缺陷，如孔隙，同时保护焊丝材料免受氧化。

那么，它的效果如何？为了测试μ-WAAM 3D打印机，该团队让它用钢丝打印出一些薄壁结构。PBF只能达到约2克/分钟的构建速度，而μ-WAAM的速度高达5克/分钟。这仍然比不上传统WAAM的沉积率，后者可以达到18.5g/min左右，但考虑到定制系统的尺寸，这一点令人印象深刻。

当涉及到尺寸精度时，WAAM可能只能提供±0.7毫米的精度，这就是为什么需要进行大量的后处理以实现高质量的表面处理。另一方面，μ-WAAM工艺设法实现了小于0.3毫米的尺寸精度。同样，这并不像PBF（±0.04毫米）那样精确，但在两种传统技术之间提供了一个很好的万能中间地带。

最终，这项工作成功地验证了WAAM的一个新变种，将该技术的规模缩小以适应更精细的特征细节和薄壁。μ-WAAM方法也许不是完美的，但它连接了PBF和WAAM的优点，解决了两者的一些痛点。

△使用μ-WAAM 3D打印的金属零件。照片来自NOVA里斯本大学。

有关该研究的更多细节可在题为 "Micro Wire and ArcAdditive Manufacturing (μ-WAAM)"的论文中找到。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... ?via%3Dihub#fig0001

上个月在一项类似的研究中，美国加州州立大学洛杉矶分校和土耳其EskisehirOsmangazi大学的工程师们开发了一种低成本的WAAM 3D打印机，只需1000美元就可以制造。通过将气体钨极氩弧焊（GTAW）技术整合到一个类似于FDM的龙门架设置中，研究人员能够创造出一台不依赖复杂机械臂的机器，使他们能够保持其价格低廉和开放源代码。

在工业领域，金属WAAM技术的开发商MX3D最近公布了其新的部分3D打印的 "WAAM夹子"。这个混合的工业部件是一个管道钳的例子，这是一个用于密封化学和石油天然气部门的高压泄漏的部件。WAAM夹子重达87公斤（其中30公斤是3D打印的），其制造时间为45小时。