国内等离子弧丝材增材制造最新应用及发展动向

文章来源：格智大讲堂

定向能量沉积增材技术（Directed Energy Deposition，DED）是目前较成熟的金属增材技术之一。在第六届中国（西安）国际3D打印大会（IAME 大会）期间，格智学院实地探访了DED相关展位，并对话企业负责人，就展出样件进一步探讨技术特点、发展近况、市场转化前景等，希望为大家展示DED未来发展趋势。

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等离子弧丝材增材制造技术（WPAAM）是DED 3D打印技术的一种，它是以等离子弧作为热源，以丝材为原材料，扫描成型零件经路径软件分层得到的成型路径，在金属基板上形成移动的熔池，将外部填充的金属丝材熔化而成的金属熔滴，不断送入熔池，通过在成型路径上逐点逐道逐层累积金属材料，实现零件的快速高效高性能成型。

优弧智熔依托诺贝尔奖获得者丹·谢赫特曼教授团队的新材料研究院，并通过自主研发创新，突破多项技术瓶颈，实现了完全自主知识产权。目前，公司自主研发了等离子弧丝材增材制造侧向送丝万向旋转机构、BARC-WPAAM1501高性能大型结构等离子丝材增材制造设备（可制备最大尺寸1500mm×1500mm×1000mm的高性能大型复杂结构件）、多热源复合丝材增材制造等设备。

技术优势

与传统锻造、机加等工艺相比，等离子弧丝材增材制造技术具有以下优势：

材料利用率高：整体来说，在等离子弧增材制造过程中，丝材的利用率在99%以上；

增材效率高：钛合金成型效率3kg/h，与传统制造工艺相比，缩短近75%的加工时间；

性能可靠：钛合金TC4测试性能满足AMS7004标准要求，挪威钛等离子丝材产品已应用空客A350、波音787等零件；

性价比高：材料、设备、能耗成本低，与传统制造工艺相比，节约近70%的成本。

技术难点

优弧智熔不断攻克技术难题，持续创新，在研发过程中攻克的难题总结如下：

1. 侧向送丝万向旋转机构

等离子弧丝材增材制造是侧向送丝，这是目前所有丝材增材制造里面较难的一种送丝方式，因为侧向送丝过程中，丝材不是横平竖直的，它随着方向千变万化。所以，等离子弧丝材增材制造首先需要解决的就是万向送丝旋转问题，即在哪里3D打印，丝材旋转方向立即就可以转到哪里。

优弧智熔通过自主研发的侧向送丝万向旋转机构和四轴以上的运行软件，从硬件和软件上成功解决了上述问题，实现了送丝方向实时旋转。

2. 等离子系统改造

等离子原本用于焊接或者切割，主要能量用来熔化或者切割母材。而等离子弧丝材增材制造需要将能量用来熔丝，部分用于熔化母材，这就需要对等离子电源和等离子枪进行改造，使其能量集中在熔丝上。这是优弧智熔目前已攻克的第二个技术难点。

3. 成型高度跟踪系统

任何热加工都存在一定的变形问题。等离子弧丝材增材制造成型的有效距离是7±1mm，过高或者过低都会影响打印质量。优弧智熔自主研发的高度跟踪系统，不惧工件的任何复杂形貌，可实时跟踪工件高度进行打印，保证有效距离始终在7±1mm。

当然，在等离子弧丝材增材制造技术开发的过程中，优弧智熔克服的还有很多细节问题，比如熔丝过程中的缺陷、3D打印过程中的路径规划等。

应用案例

1. TC4钛合金上梁架

优弧智熔此次展出的这件上梁架，用于无人机发动机。发动机部位要承受高温，同时又有较高的强度要求，所以采用耐高温性和强度俱佳且质量较小的钛合金打印。

上梁架

2. AZ31镁合金壳体+火箭模型

优弧智熔的这两个展件，特殊点就在于材质-镁合金。

目前国内3D打印镁合金有两种方式：粉末打印和丝材打印。粉末打印成型质量很好，但是危险性太大，爆 炸事件频起。安全重于一切，解决了安全问题才有下一步的打印问题。优弧智熔克服镁合金液滴流淌性弱、极易氧化、成型过程危险等问题，利用自有的丝材技术，开发了镁合金丝材等离子弧增材制造技术，实现了国内首次等离子弧丝材增材制造镁合金零件，已在航天行业有成熟应用。

镁合金壳体

火箭模型

3. TC4钛合金半球壳体

优弧智熔此次展出的这件半球壳体，意在展示其最新开发的六轴联动路径软件BAT Additive.我们可以很清晰地看到，在回转体内生长着横向和纵向的筋，采用六轴联动路径软件，可实现该打印过程六轴联动，无需任何支撑即可快速成型，节约材料同时提高效率。

半球壳体

展望

虽然目前，优弧智熔的等离子弧丝材增材制造的部分部件已成功应用于商业航天，但是整体处于认证阶段。未来，关于等离子弧丝材增材制造的方向，优弧智熔和国外同类企业是一致的。类似挪威钛，已经实现在航空航天包括军机方面的批量零部件供应，如波音、空客、洛克希德马丁战机等，类似相对论空间（Relativity Space）也有很多等离子应用。只是，目前等离子弧丝材增材制造技术对中国是完全封锁的，包括设备封锁、技术封锁。

优弧智熔表示，当下要做的事情就是让等离子弧丝材增材制造这件事情与国外越来越接近。在国内的应用才刚刚开始，希望有更多的高校、研究院所和企业，可以共同致力于等离子弧丝材增材制造的技术开发、工艺研究、标准制定、数据积累等，共同推进等离子弧丝材增材制造的发展与应用。