LA SHANDONG UNIVERSITY SVILUPPA UNA NUOVA TECNICA WAAM
I ricercatori della Shandong University , in Cina, hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D in metallo chiamato produzione additiva di arco ad arco a filo compulsivo (CC-WAAM). Migliorando su WAAM, questo processo ha un migliore controllo sullo stato della formazione del metallo, producendo strati con distribuzione omogenea della microstruttura. Il team ha anche studiato i migliori parametri di processo e il fenomeno di saldatura alla base di questa tecnica.
La manifattura additiva ad arco in filo metallico (WAAM) è una tecnologia di stampa 3D in metallo introdotta dalla pluripremiata Cranfield University nel Regno Unito . Con un’impareggiabile efficienza e vantaggi in termini di costi nella produzione di pezzi di grandi dimensioni, WAAM è spesso impiegato nell’industria aerospaziale e marittima ed è stato applicato in vari modi alla produzione di telai posteriori per aeromobili , recipienti a pressione prototipo , fusoliere di aeroplani , pale di elica cava , ganci per gru e navi eliche .
Durante il processo di stampa 3D, l’accuratezza geometrica e la qualità di formatura in WAAM si deteriorano all’aumentare dell’accumulo di calore. L’eccessivo apporto di calore provoca anche sollecitazioni e deformazioni residue, lasciando proprietà meccaniche inferiori. Per risolvere le sfide affrontate da WAAM, il team della Shandong University ha sviluppato la nuova tecnica denominata WAAM (CC-WAAM) costrittivamente compulsiva.
Utilizzando una fonte di energia per saldatura a gas inerte (MIG), CC-WAAM genera un arco al plasma tra un filo metallico e un elettrodo di tungsteno in uno stretto ugello in ceramica. Sotto il calore dell’arco, il filo si scioglie e produce goccioline. L’ugello in ceramica ha un effetto restrittivo compulsivo sull’arco e sulle goccioline di metallo. Le goccioline vengono espulse dall’ugello con l’arco per la stampa 3D. L’espulsione del plasma ad arco garantisce una buona schermatura e conservazione del calore per le goccioline di liquido caldo e il pool di liquidi.
La distanza dalla torcia al substrato fornisce uno spazio di raffreddamento sufficiente per il trasferimento di goccioline fuse. Pertanto, l’apporto di calore è significativamente ridotto. Gli strati prodotti con questo metodo presentano microstrutture uniformi e fini. Le dimensioni geometriche di ogni strato possono anche essere controllate efficacemente regolando la velocità di traslazione della torcia.
La sfida successiva per il team era sviluppare parametri di controllo del sistema che garantissero la stabilità dell’arco e il trasferimento delle goccioline. La stabilità dell’arco favorisce il trasferimento di equilibrio delle goccioline. Allo stesso tempo, il trasferimento stabile delle goccioline mantiene stabile l’arco. Lo spazio confinato di CC-WAAM non dirige la valutazione visiva dell’arco e la formazione di goccioline all’interno della copertura della torcia è impossibile. Pertanto, i ricercatori hanno studiato i fenomeni di saldatura in condizioni diverse attraverso un vetro resistente alle alte temperature utilizzando la fotografia ad alta velocità.
I risultati hanno rivelato che i comportamenti ad arco e il trasferimento di goccioline variano a seconda dei parametri elettrici. L’arco e le goccioline sono molto instabili con parametri elettrici di basso livello (80 A / 14,9 V – 200 A / 18,3 V). Aggiunte con la caratteristica di grandi diametri di goccioline (1,8 – 5,3 mm), le frequenze di trasferimento delle goccioline sono basse (2 – 23 Hz), producendo un gran numero di complessi fenomeni ad arco. Al contrario, i parametri elettrici di alto livello (200 A / 18,3 V – 300 A / 18,3 V) raggiungono piccole gocce di 0,8 mm e un’alta frequenza di trasferimento di 300 Hz. La forma dell’arco e il trasferimento delle goccioline diventano molto stabili, dimostrando parametri elettrici di alto livello più adatti per CC-WAAM.
Successivamente, sono stati condotti esperimenti per studiare le influenze del flusso del gas di protezione sui comportamenti dell’arco e sul trasferimento di goccioline. Con parametri elettrici di basso livello, il flusso di gas esercita una forza meccanica sull’arco e fa disperdere l’arco. A parametri elettrici di alto livello, il gas si ionizza, promuovendo la stabilità dell’arco.
Il team ha concluso che i parametri più adatti per CC-WAAM sono 300 A / 18,3 V, flusso di gas 5 L / min. Con questi parametri ottimali si ottengono un arco corto e stabile e un trasferimento di goccioline ad alta frequenza.
Eseguendo un’analisi preliminare della forza sulle goccioline, i ricercatori hanno trovato la spiegazione di questo fenomeno di trasferimento di goccioline. Il trasferimento verticale di goccioline è promosso dalla forza gravitazionale sulla gocciolina FG e dalla forza causata dall’effetto di pizzicamento elettromagnetico FE. Le deviazioni dalla traiettoria della gocciolina sono causate dalla forza dell’arco sulla gocciolina FC e dalla forza generata dalla corrente ad anello chiuso sulla gocciolina FM. Il lavoro futuro rimane per realizzare la traiettoria verticale delle goccioline.
“Lo studio del processo di generazione di goccioline fuse e plasma ad arco nello spazio limitato durante WAAM costretti compulsivamente ” è pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology . È co-autore di Meng Guo, Chuanbao Jia, Jihui Zhou, Wenqiang Liu, Chuansong Wu.
un. Diagramma schematico del CC-WAAM; b. L’immagine dell’arco espulso e delle goccioline in CC-WAAM. 