近期，美國加州州立大學和土耳其埃斯基謝希爾奧斯曼加齊大學的工程師聯合開發了一種電弧增材製造（WAAM）3D打印機，製造成本隻需1000美元。

通過將氣體(ti) 保護鎢極電弧焊（GTAW）技術集成到類似熔融沉積建模（FDM）龍門裝置中，該研究團隊製造出一種不依賴複雜機械臂的3D打印設備，價(jia) 格合理且開源，最初的測試表明與(yu) 碳鋼和合金Inconel 718材料兼容。

“與(yu) 昂貴的粉末床係統相比，這種加工係統結合適當的工藝參數就能實現在GTAW和WAAM工藝下加工金屬合金，工作量更少，成本更低，”該團隊在他們(men) 的論文中說。目前，係統可以加工的合金材料包括鈦、鋁、鎳和鈷基超合金以及低合金鋼。

■原型龍門式WAAM 3D打印機

采用氣體(ti) 鎢極電弧焊

特別是在航空航天和汽車製造領域，金屬3D打印技術如粉末床熔融（PBF）和直接能量沉積（DED），對於(yu) 傳(chuan) 統減材工藝已經顯現出優(you) 勢。例如，使用PBF工藝可以生產(chan) 出具有內(nei) 部通道和高分辨率特征的複雜部件。但此類係統往往價(jia) 格昂貴且操作複雜。

同樣，工程師們(men) 承認與(yu) DED打印設備可以構建比較大型的部件且組件維修也相對簡單，但該技術仍依賴昂貴的激光器和機器人技術，並且生產(chan) 出的零件還需要大量的後處理。

在現有傳(chuan) 統金屬3D打印工藝中，該團隊特別推薦GTAW工藝，這是一種在惰性氣氛中使用電弧將線材原料熔化成所需形狀的方法。在增材製造係統使用這種工藝時，該技術可直接配合DED技術使用，由於(yu) 價(jia) 格合理的半自動送絲(si) 係統和廣泛的合金兼容性特點，讓此類設置在研究界普遍采用。

然而盡管有這些好處，但開發有效的低成本GTAW增材製造係統仍不簡單，其中參數設置不當可能會(hui) 導致生產(chan) 出有缺陷的零件或導致安全問題。對此，美國與(yu) 土耳其組成的研究團隊提出了一種降低WAAM設備製造成本的新方法，就是構建一個(ge) 3軸配置機器。

■WAAM 3D打印機組件示意圖

WAAM 3D打印服務

該團隊的GTAW係統由微控製器、TIG焊機和特殊設計的部件（例如外框上的定製自動送料器）組成，其外觀類似於(yu) 許多商用笛卡FDM 3D打印機。然而，該團隊並沒有購買(mai) 設備的支架，而是將它與(yu) 通過Stratasys U-plus機器生產(chan) 的40多個(ge) ABS零件固定在一起。

過程中，研究人員發現能夠將建造成本控製在1000美元左右，不包括用於(yu) 維持和編程的氣體(ti) 容器和計算機。一旦他們(men) 建立了原型就對其進行測試，在測試中證明它能夠接收來自開源 Arduino Mega微控製器的指令，並產(chan) 生電流為(wei) 5-150安培的鎢弧。

然而，GTAW 增材製造係統也遇到了各種問題，例如由於(yu) 進給率波動和割炬過熱導致的零件軟化、表麵波紋和形狀變細。盡管團隊已經引入了多個(ge) 修複程序解決(jue) 上述問題，但他們(men) 承認割炬、焊層和送絲(si) 機之間的角度仍然需要不斷調整，而零件異型仍然是一個(ge) 待解決(jue) 的問題。

展望未來，工程師們(men) 表示他們(men) 的機器的一些問題可以通過安裝一個(ge) 額外的惰性氣體(ti) 屏蔽室來克服，以防止金屬受到大氣幹擾。鑒於(yu) 其可以自動運行，他們(men) 認為(wei) 盡管生產(chan) 過程中會(hui) 產(chan) 生極明亮和熾熱的電弧，但對於(yu) 日常用戶來說可以安全使用。

“在這項研究中，我們(men) 設計了一種低成本電弧增材製造係統，為(wei) 開發和修複高價(jia) 值金屬部件提供了一種替代解決(jue) 方案，”該團隊在他們(men) 的論文中總結道，“這種設備的應用場景涉及維修和製造航空、汽車和醫療行業(ye) 中的配件、植入物和熱交換器等部件。”

■通過WAAM 3D打印機生產(chan) 出合金Inconel 718的30層牆結構

WAAM的其他應用

在過去兩(liang) 年中，WAAM 3D打印超堅固部件的能力越來越多地在海事、國防和實驗基礎設施應用中受到考驗。2021年底機器人金屬3D打印公司MX3D透露，這家公司已經使用該技術為(wei) 歐洲航天局的月球定居點原型創造了一個(ge) 獨特的“地板” 。

重型設備製造商Huisman宣布已將該技術部署到3D打印四個(ge) 起重機吊鉤上。每張大幅麵印刷品的尺寸為(wei) 1.7m×1.3m，重達1700公斤，能夠舉(ju) 起高達350公噸的重量物件。

同樣在其他海上應用中，WAAM已被法國海軍(jun) 集團等公司用於(yu) 製造空心螺旋槳葉片演示器。在不到100小時內(nei) 由不鏽鋼製成，重達300公斤的打印件成功地通過了疲勞和腐蝕測試，其流體(ti) 動力學特性也通過了數值模擬評估。

研究人員的發現在他們(men) 題為(wei) “低成本電弧增材製造係統的開發”的論文中進行了詳細說明，該論文由Miguel Navarro、Amer Matar、Seyid Fehmi Diltemiz和Mohsen Eshraghi合著。