Navařování metodou WAAM

V současné době je AM široce používáno v prototypové výrobě, na výrobu komponent strojů, zařízení a konstrukcí z různých materiálů. Je to průmyslová oblast, která v současné době prochází velmi intenzivním vývojem a je na ni soustředěna velká pozornost.

Kromě intenzivně řešeného 3D tisku kovových materiálů, který je v současné době zatím investičně a provozně velmi náročný, existují i alternativní metody AM, které jsou z ekonomického hlediska mnohem příznivější. Jednu z nich lze, podle pracovníků Cranfield University, kde byla metoda vyvinuta, označit jako WAAM (Wire and Arc Additive Manufacture). WAAM je rozvíjející se technologie, která používá proces standardního obloukového svařování pro výrobu kovových 3D součástí a komponent různých relativně jednoduchých (z pohledu AM technologií) geometrických tvarů a větších rozměrů, jež jsou však jinými způsoby výroby těžko dosažitelné nebo jsou výrobně neekonomické (např. odlehčené nebo duté profily, příp. rotační součásti s výztuhami apod.), které jsou vhodné pro aplikace např. v leteckém průmyslu, ale i v celé řadě dalších oborů.

Metoda WAAM vznikla v důsledku vývoje různých technologických odvětví (je zde nutno skloubit vhodné technologické parametry procesu svařování s robotickým programováním a znalostmi termální analýzy, aby bylo dosaženo požadovaných mechanických vlastností výrobku).

Jedním z hlavních důvodů použití této technologie je využití tzv. přístupu BTF (buy to fly) v optimálním poměru. Jedná se o poměr „vstupního“ výrobního materiálu k materiálu „výstupnímu“, tzn. k materiálu hotového výrobku (jde o to, že na rozdíl např. od obrábění vzniká minimum odpadu). Toto je faktor vyzdvihovaný především v oblasti již zmiňovaného leteckého průmyslu. Tento poměr je obvykle u konvenčních způsobů výroby v rozmezí 10:1 až 20:1. Při využití WAAM můžeme poměr snížit o 35–45 %. Různé studie ukazují odhady, že využití metody WAAM v letectví může snížit cenu letadla o 60 % a hmotnost až o 30 %.

WAAM metoda výroby spočívá v ukládání velkého počtu jednotlivých návarových housenek vedle sebe (resp. na sebe). Součásti jsou tedy tvořeny postupným navařováním jednotlivých vrstev po trajektorii budoucího obrysu součásti (vždy zezdola nahoru) s konstantní nebo adaptivní tloušťkou návarové „stěny“, případně ukládáním materiálu do těchto obrysů k vytvoření plných částí. Proto přesné modely pro geometrii jednotlivých housenek, resp. vrstev (tvořených překrývajícími se návarovými housenkami) hrají důležitou roli při určování kvality povrchu a rozměrové přesnosti vyrobených produktů.

Jedná se o typ SMD (Shaped Metal Deposition) technologie kombinující elektrický oblouk s využitím přídavného materiálu (PM) ve formě kovového drátu (jako PM se používají běžné svařovací dráty). Pro tyto účely se často namísto elektrického oblouku používají laser a elektronový svazek s použitím práškového PM. Tyto metody jsou však omezeny rychlostí nanášení vrstev a velikostí možného výrobku. Naproti tomu WAAM metoda je ideální proces, který si klade za cíl vyrábět produktivně velké komponenty.

Proces je nutno automatizovat, k čemuž lze využít univerzální robotická pracoviště, jejichž velikost pak limituje velikost (resp. dosah) pracovní plochy. Pohyb zařízení (svařovacího hořáku) může zabezpečovat buď robotický systém, nebo počítačem řízený portál.

Pro zpracování metodou WAAM mohou být použity všechny svařitelné materiály, jako jsou konstrukční i vysokolegované oceli, hliník, titan, nikl, měď a jejich slitiny. Jedná se tedy o slibnou alternativu pro zhotovení součástí vyrobených z drahých (příp. obtížně zpracovatelných) materiálů, kde u konvenčního obrábění často vzniká extrémně vysoký poměr BTF.

U některých typů speciálních materiálů je vhodné upravit teplotní režim a předepsat např. teplotu interpass mezi jednotlivými vrstvami návaru (případně je možné zařadit i speciální režim „válcování“ navařených vrstev). Kromě toho lze WAAM použít i na výrobky tvořené z několika různých materiálů.

Obrábění:
Hmotnost vstupního materiálu 240 kg
Hmotnost součásti 21 kg
BTF poměr 11,6
Odpad 91 %

WAAM:
Hmotnost vstupního materiálu 24 kg
Hmotnost součásti 21 kg
BTF poměr 1,15
Odpad 13 %
Doba depozice 24 hod

V porovnání s běžnými konvenčními procesy výroby jsou výhodami technologie WAAM flexibilní výroba různých typů konstrukcí, již zmíněný široký výběr materiálů, vyrobitelnost součástí různě složitých geometrických tvarů, nízké náklady a krátké dodací časy. Tvar výrobků je omezen „pouze“ podmínkou umožnění postupného nanášení (navařování) jednotlivých vrstev. Nicméně i tak WAAM nabízí konstruktérům možnost vytvářet objekty, které byly dříve považovány za nevyrobitelné.
Jak bylo zmíněno výše, nejčastěji jsou pro metodu WAAM používány metody svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách – TIG a MIG/MAG. Rychlost nanášení (výkon navaření) pro WAAM může být při použití TIG navařování okolo jednoho kilogramu za hodinu, zatímco při použití metody MIG/MAG to může být za hodinu i několik kilogramů. Nedostatkem MIG/MAG metody je nižší stabilita oblouku a rozstřik během tvorby návaru, případně zvýšená pórozita. Tyto problémy je možné snížit použitím modifikovaných procesů metody MIG/MAG, které sníží vnesené teplo a mají bezrozstřikový charakter procesu – např. metoda Cold Metal Transfer (CMT) firmy Fronius, Cold Arc firmy EWM nebo Inteligent Arc Control (IAC) firmy Migatronic apod.

Výzkumné práce jasně ukazují, že CMT a podobné modifikace mají při použití WAAM řadu výhod, jako jsou např. vysoká kvalita a bezrozstřikové navařování, nízký tepelný příkon, vynikající reprodukovatelnost, vysoký výkon navaření a možnost tvorby menších tlouštěk stěn, jemnější mikrostruktura atd.

Svařovací zařízení – robotické (vlevo), portálový stroj původně určený pro metodu FSW (vpravo)

Výhody této popsané zajímavé výrobní technologie spočívají především v možnosti použití konvenčních zařízení (nízké investiční a provozní náklady), vysoké rychlosti nanášení (několik kg.hod-1), vysoké materiálové účinnosti (minimální odpad), možnosti použití na velký sortiment základních materiálů, flexibilitě (rychlá realizace návrhů a možnost tvorby součástí velkých rozměrů). To vše jsou aspekty, které v budoucnosti povedou k jejímu většímu rozšíření.

Použitá literatura:

• Chen, J.: Hybrid design based on wire and arc additive manufacturing in the aircraft industry, Thesis, Cranfield university, 2012.
• Baufeld, B., Brandl. E., van der Biest, O.: Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition, Journal of Materials Processing Technology 211 (2011), s.1146–1158.
• Gu, J., Cong, B., Ding, J. Williams, S.W., Zhai, Y.: Wire+arc additive manufacturing of aluminium, Cranfield University.
• Ding, D., Pan, Z., Cuiuri, D., Li, H.: A multi-bead overlapping model for robotic wire and arc additive manufacturing (WAAM), Robotics And Computer-Integrated Manufacturing, 31, s. 101–110.
• Addison, A., Ding, J., Martina, F., Lockett, H., Wiliams, S., Zhang, X.: Manufacture of Complex Titanium parts using Wire+Arc Additive Manufacturing, Titanium Europe 2015 – International Titanium association, May 11-13, 2015.
• Mehnen, J., Ding, J., Lockett, H., Kazanas, P.: Design for Wire and Arc Additive Layer Manufacture, Proceedings of the 20th CIRP design conference, Nantes, France, 2010.
• Ding, J., et al.: Thermo-mechanical analysis of Wire and Arc Additive Layer Manufacturing process on large multi-layer parts. Computational Materials Science, 2011. 50(12): s. 3315–3322.
• Ouyang, J. H., Wang, H., and Kovacevic, R.: Rapid prototyping of 5356- aluminium alloy based on variable polarity gas tungsten arc welding: process control and microstructure. Materials and Manufacturing Processes, 2002. 17(1): s. 103–124.
• Pickin, C. G., Williams, S. W., and Lunt, M.: Characterisation of the cold metal transfer (CMT) process and its application for low dilution cladding. Journal of Materials Processing Technology, 2011. 211(3): s. 496–502.
• Sequeira Almeida, P. M., and Williams, S. W.: Innovative process model of Ti-6Al-4V additive layer manufacturing using Cold Metal Transfer (CMT), 21th International Solid Freeform Fabrication Symposium. 2010: Austin, Texas, USA, s. 25–36.
• Martina, F.,. Williams, S. W., and Colegrove, P. A.: Improved microstructure and increased mechanical properties of additive manufacture produced Ti–6Al–4V by interpass cold rolling, 24th International Solid Freeform Fabrication Symposium. 2013: Austin, Texas, USA, s. 490–496.
• Williams, S. (2011), WAAM process features (unpublished RUAM 8th industry meeting), Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield university.
• http://www.damen.com/en/news/2017/09/3d_printed_ships_propeller_takes_step_closer_to_completion

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Doc. Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D., prof. Ing. Jan Suchánek, CSc., Ing. Marie Kolaříková, Ph.D.

Ladislav.Kolarik@fs.cvut.cz