와이어 아크 적층 제조 소개 [2020 업데이트]

와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 잘 알려지지 않은 금속 3D 프린팅 기술 중 하나이지만 여러 산업에 걸쳐 대규모 3D 프린팅 응용 프로그램에 대한 엄청난 잠재력을 지닌 기술입니다.

이 가이드는 WAAM의 작동 방식, 이점 및 제한 사항, 주요 WAAM 회사 및 성공적인 애플리케이션에 중점을 둡니다.

와이어 아크 적층 제조는 어떻게 작동합니까?

WAAM은 직접 에너지 증착 기술의 변형이며 아크 용접 프로세스를 사용하여 금속 부품을 3D 인쇄합니다.

일반적인 금속 분말 AM 공정과 달리 WAAM은 전기 아크를 열원으로 사용하여 금속 와이어를 녹이는 방식으로 작동합니다.

공정은 로봇 팔에 의해 제어되고 모양은 기판 재료(베이스 플레이트) 위에 만들어지며 부품이 완성되면 절단될 수 있습니다.

와이어가 녹으면 기판에 비드 형태로 압출됩니다. 구슬이 서로 달라붙어 금속 재료 층을 만듭니다. 그런 다음 금속 부품이 완성될 때까지 이 프로세스를 레이어별로 반복합니다.

여기에서 프로세스가 실행되는 것을 볼 수 있습니다.

자료

WAAM은 와이어 형태인 경우 다양한 금속과 함께 사용할 수 있습니다. 이 목록에는 스테인리스강, 니켈 기반 합금, 티타늄 합금 및 알루미늄 합금이 포함됩니다. 용접할 수 있는 모든 금속은 WAAM과 함께 사용할 수도 있습니다.

와이어 아크 적층 제조의 이점

대형 금속 부품을 3D 프린팅하는 기능

WAAM은 특히 대규모 금속 부품 제조에 적합합니다. 이는 일반적으로 더 작은 고화질 부품을 생산하는 PBF(Powder Bed Fusion) 금속 AM 기술과 대조됩니다.

제작 범위가 제한된 PBF AM 기계와 달리 WAAM 기계의 로봇 팔은 움직임이 더 자유롭습니다. 즉, 구성 요소의 크기가 공간에 의해 제한되지 않고 로봇 팔이 도달할 수 있는 거리. 이를 통해 PBF 공정에서는 불가능했던 더 큰 부품을 생산할 수 있습니다.

저렴한 프로세스 및 재료

재료비 측면에서 WAAM 프린팅 공정에 사용되는 용접 와이어는 금속 PBF에 사용되는 금속 분말보다 훨씬 저렴합니다.

WAAM 기술은 이미 잘 알려진 용접을 기반으로 하기 때문입니다. 제조 기술 자체. WAAM 하드웨어에는 일반적으로 시중에 나와 있는 많은 금속 3D 프린터보다 저렴한 기성 용접 장비가 포함되어 있습니다.

또한 와이어는 일반적으로 분말보다 다루기 쉽고 특수 보호 장비가 필요합니다. 쓰다.

고품질 부품

WAAM으로 생산된 부품은 고밀도 및 강력한 기계적 특성으로 특히 유명하며, 이는 전통적인 제조 방법으로 제조된 부품에 필적합니다.

와이어 공급 원료는 100% 조밀한 투입 재료이기 때문에 제조 과정에서 유도된 다공성이 무시할 수 있을 정도이므로 최종 부품이 매우 조밀해집니다.

수리 작업에 적합합니다.

WAAM은 또한 금형 및 다이뿐만 아니라 터빈 블레이드와 같은 특정 구성요소의 수리 및 유지보수 작업에 적합한 옵션입니다.

낡은 기능이나 손상된 부품은 새로운 재료를 증착하여 WAAM으로 수리할 수 있습니다. 표면에. 이를 통해 새로운 부품을 처음부터 생산할 필요가 없으므로 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

WAAM의 한계

잔류 응력 및 왜곡

WAAM과 관련된 한 가지 문제는 열 관리입니다.

인쇄 공정에는 고온이 포함되어 금속 3D 인쇄에서 일반적으로 직면하는 문제인 잔류 응력이 축적됩니다. 잔류 응력은 종종 부품의 변형으로 이어질 수 있으므로 냉각을 공정에 고려해야 합니다.

일부 재료에는 차폐가 필요합니다.

티타늄과 같은 특정 재료를 사용하는 경우 적절한 건물 조건을 보장하기 위해 불활성 분위기를 조성하기 위해 차폐가 필요합니다.

이는 공정이 불활성 가스 챔버에서 이루어져야 함을 의미합니다. 그러나 불활성 가스 챔버는 이 기술로 생산할 수 있는 부품의 크기를 제한하고 이러한 챔버를 설치하면 장비 비용이 증가합니다.

저해상도

WAAM은 일반적으로 표면 마감이 좋지 않은 그물 모양에 가까운 부품을 생산합니다. 따라서 부품의 표면은 기계 가공을 통해 마무리되어야 합니다.

주요 WAAM 플레이어 및 기술 애플리케이션

WAAM3D

2020년 현재 WAAM 시장은 소수에 불과하며 이 금속 3D 프린팅 기술을 적극적으로 개발하고 있습니다.

WAAM3D는 아마도 이 분야에서 덜 알려진 이름 중 하나일 것입니다. 그러나 회사는 이 기술을 시장에 출시하기 전에 광범위한 연구를 수행했습니다.

WAAM3D는 2018년 크랜필드 대학의 WAAM 분야 지적 재산 상용화.

회사에 따르면, 소프트웨어 도구, WAAM이 설계한 하드웨어, 원자재, 교육 및 서비스와 같은 공급망의 부족은 입증된 비즈니스 이점에도 불구하고 WAAM 프로세스의 적절한 산업 채택을 방해했습니다. .

회사는 이러한 공급망을 만들고 항공우주 및 국방, 석유 및 가스, 에너지 및 원자력 산업 전반에 걸쳐 WAAM의 사용을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

지금까지 WAAM3D는 이 기술의 여러 성공적인 응용 프로그램을 발표했습니다.

하나는 BAE Systems의 Eurofighter Typhoon 전투기의 후면 프레임입니다. 평면 영역에서 2.5mx 1.5m를 측정하는 티타늄 부품은 60kN(13,500lbf)의 건조 추력을 생성할 수 있는 듀얼 Eurojet EJ200 엔진을 지원합니다.

또 다른 티타늄 부품, 1m 길이의 압력 선박은 Thales Alenia Space를 위해 제작되었습니다. WAAM을 사용하여 이 구성 요소를 제조함으로써 팀은 항목당 200kg 이상의 자재를 절약하고 용기의 두 부분을 하나로 통합할 수 있었습니다.

또한 해당 부품 생산에 소요된 시간은 다음과 같습니다. 부품을 생산하는 데 일반적으로 몇 개월이 걸리므로 리드 타임이 크게 단축됩니다.

올해 초 WAAM3D는 첫 번째 시리즈 A 자금 조달 라운드를 완료하여 회사를 더욱 발전시킬 수 있었습니다. WAAM 기술 상용화

AML3D

Cranfield University는 다른 회사인 AML3D의 설립에 영감을 주었습니다. AML3D의 전무이사 Andrew Sales는 Cranfield에서 공부했으며 기술의 잠재력에 매료되어 2014년 호주에 WAAM 서비스 국을 설립했습니다.

2019년 회사는 글로벌 해운 산업 인증 기관으로부터 로이드 레지스터. 인증을 받은 AML3D는 첫 번째 부품인 마르텐사이트 스테인리스강 웨어링 세트를 해양 고객에게 전달했습니다.

부품은 전통적으로 단조되어 추가적인 열처리 후처리 단계가 필요합니다. 이 프로세스는 총 리드 타임을 최대 6주에서 8주까지 늘립니다. 이러한 긴 리드 타임 품목은 재고 목록에 보관하거나 조기에 교체해야 합니다.

AML3D는 WAAM을 사용하여 동일한 비용으로 링을 제조하는 동시에 리드 타임을 며칠로 단축할 수 있었습니다. 이것은 제한된 시간 동안 부두에 머무르는 선박의 경우 중요한 개선 사항입니다.

역량을 더욱 강화하기 위해 이 회사는 이제 가까운 시일 내에 싱가포르에 생산 시설을 설립할 계획입니다. 이는 싱가포르 해양 허브의 수요에 기인합니다. 위치는 상업 운송 루트의 전략적 허브이기 때문입니다.

램랩

비슷한 맥락에서 로테르담항의 적층 제조 현장 연구소(RAMLAB)는 WAAM을 사용하여 해양 부품 생산 속도를 높이고 있습니다. 이 회사는 2017년 세계 1급 승인 선박 프로펠러의 실물 크기 프로토타입을 3D 프린팅하여 큰 주목을 받았습니다.

WAAMpeller는 298겹의 니켈 알루미늄 청동 합금을 사용하고 무게는 400kg입니다. 이 부품은 7개월 만에 완성되어 미래 선박 구성 요소의 생산을 최적화할 수 있는 WAAM의 잠재력을 보여주었습니다.

2018년에 Ramlab은 Huisman Equipment와 협력하여 대규모 해양에서 3D 프린팅하는 또 다른 프로젝트를 시작했습니다. 무게가 1000kg에 가까운 크레인 후크. Huisman Equipment는 이 프로젝트를 한 단계 더 발전시켜 해양 인양 작업에 사용하도록 특별히 설계된 36,000kg WAAM 후크를 3D 인쇄, 인증 및 설치했습니다.

MX3D

WAAM 기술을 세계에 공개한 최초의 응용 프로그램 중 하나는 네덜란드 신생 기업인 MX3D가 개발한 3D 인쇄 강철 다리였습니다.

2018년에 시작된 브리지 프로젝트는 완료하는 데 1년 이상이 걸렸지만 대규모 금속 3D 프린팅의 가능성을 보여주는 쇼케이스 역할을 했습니다.

최근에 MX3D 팀은 이 기술을 사용하여 알루미늄 자전거 프레임을 3D 인쇄했습니다. 미래 지향적인 프레임은 제너레이티브 디자인 소프트웨어의 도움으로 설계되었으며 24시간 이내에 두 부분으로 3D 프린팅되어 MX3D의 WAAM 기술의 빠른 프린팅 속도를 보여줍니다. MX3D는 또한 '스마트 고정 장치 설정'을 개발했는데, 이를 통해 모든 맞춤형 WAAM 프레임을 쉽게 라이딩 준비할 수 있다고 합니다.

Gefertec

WAAM 분야의 또 다른 플레이어는 독일 회사인 Gefertec입니다. 2017년, Gefertec의 GTarc AM 기계 시리즈의 일부인 3DMP® 제조 기술을 공개했습니다.

최대 시스템은 최대 3m3의 부품 생산을 위한 3축 시스템을 특징으로 합니다. 3000kg의 질량.

Gefertec의 기계에서 흥미로운 점은 밀링 시스템과 통합될 수 있다는 것입니다. 즉, 3DMP® 기술을 사용하여 부품을 만든 다음 즉시 가공으로 마무리하는 하이브리드 시스템을 만들 수 있습니다.

Gefertec의 기술을 사용하는 한 가지 예는 기관차용 금속 휠 세트 베어링 커버를 3D 프린팅하는 것과 관련이 있습니다. 이 기관차 모델은 1960년대와 1970년대에 사용되었습니다. 즉, 종종 더 이상 구할 수 없는 예비 부품을 조달하는 것이 어려울 수 있습니다.

결과적으로 구성 요소의 배송은 전통적으로 최대 9개월이 걸리며 이 기간 동안 기관차는 서비스를 중단하여 비용이 많이 듭니다.

Gefertec의 이 예비 부품을 만들기 위해 3D 프린터를 사용했고, 초기 설계부터 리버스 엔지니어링 및 생산까지 프로젝트를 두 달 만에 완료했습니다. 이것은 공작물의 첫 번째 생산이었지만 확립된 프로세스를 통해 리드 타임을 훨씬 더, 잠재적으로 단 몇 주까지 줄일 수 있습니다.

WAAM – 대규모 금속 적층 제조를 위한 실행 가능한 옵션

WAAM과 같은 비교적 새로운 기술을 사용하면 애플리케이션이 개발되고 업계 전반에 걸쳐 이점이 체감되는 데 시간이 걸립니다. 그러나 우리는 대형 금속 3D 인쇄 구성 요소에 대한 수요가 증가하는 것을 보고 WAAM의 채택이 가속화될 것임을 시사합니다.

궁극적으로 WAAM이 대형 금속 부품의 생산 방식을 변화시켜 기업에 더 빠르고 비용 효율적인 생산 방법을 제공한다는 것은 분명합니다.