چاپ سه‌بعدی فلزی WAAM | تولید افزایشی قوس سیمی چیست؟

چاپ سه بعدی فلزی WAAM (چاپ سه بعدی قوس سیمی) چیست؟

تولید افزایشی قوس سیمی از سیم فلزی به عنوان ماده اولیه و از قوس الکتریکی به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند، مشابه فرآیند جوشکاری. قوس الکتریکی سیم را هنگام رسوب‌دهی ذوب می‌کند و به وسیله یک بازوی رباتیک، لایه‌به‌لایه روی یک سطح (مانند میز گردان چندمحوره) قرار می‌دهد. همانند جوشکاری، گاز خنثی مانع اکسید شدن فلز شده و ویژگی‌های آن را بهبود یا کنترل می‌کند.
(پس چاپ سه‌بعدی فلزی WAAM در اصل بهره‌گیری کنترل‌شده از قوس جوشکاری برای ساخت افزایشی است.)

این فرآیند به‌تدریج یک قطعه سه‌بعدی کامل یا یک تعمیر روی قطعه موجود ایجاد می‌کند. در WAAM نیازی به ساخت سازه‌های نگهدارنده (Supports) نیست و قطعات تکمیل‌شده را می‌توان در صورت نیاز با CNC به تلرانس‌های دقیق ماشین‌کاری یا سطح آن‌ها را پرداخت کرد. معمولاً پس از چاپ، قطعات تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند تا تنش‌های باقی‌مانده برطرف شود.
(در عمل، چاپ سه‌بعدی قوس سیمی امکان ساخت سریع قطعات نزدیک به ابعاد نهایی را فراهم می‌کند و سپس با CNC به دقت مطلوب می‌رسد.)

WAAM بر پایه روش‌های جوشکاری موجود و نتایج شناخته‌شده مواد آن ساخته شده است. اگرچه این فناوری از نرم‌افزارهای پیچیده برای کنترل متغیرهای فرآیند استفاده می‌کند، اما آشنایی عمومی با اصول جوشکاری باعث جذب بیشتر شرکت‌ها به این حوزه شده است. برخی شرکت‌ها نام‌های متفاوتی برای فناوری خود انتخاب کرده‌اند تا از رقبا متمایز شوند، اما باید توجه داشت که روش‌هایی که از لیزر یا پرتو الکترونی به همراه سیم فلزی (به‌جای قوس الکتریکی) استفاده می‌کنند، فناوری متفاوتی در همان دسته رسوب‌دهی انرژی هدایت‌شده (DED) محسوب می‌شوند.
(همین اتکا به دانش جوشکاری، مسیر پذیرش چاپ سه‌بعدی فلزی WAAM را در کارخانه‌ها هموار کرده است.)

WAAM به‌عنوان مقرون‌به‌صرفه‌ترین گزینه در بین فناوری‌های DED شناخته می‌شود زیرا می‌تواند از ربات‌ها و منابع تغذیه جوشکاری موجود استفاده کند و مواد اولیه آن نیز همان سیم‌های جوشکاری در دسترس بازار است. این فناوری نسبت به لیزر یا پرتو الکترونی ارزان‌تر و ایمن‌تر است و برای فلزات غیرواکنش‌پذیر به محفظه خلأ نیاز ندارد. با این حال، برای فلزات واکنش‌پذیر مانند تیتانیوم یا آلومینیوم، همچنان به یک محیط گاز خنثی (معمولاً آرگون یا نیتروژن) نیاز است تا از واکنش شیمیایی با گازهای هوا جلوگیری شود.
(به‌طور خلاصه، از منظر هزینه و ایمنی، چاپ سه‌بعدی قوس سیمی انتخاب اقتصادی‌تری نسبت به روش‌های لیزری/پرتوی است.)

فروش اصلی WAAM، ساخت سریع و اقتصادی قطعات فلزی بزرگ است، اما مزایای آن فراتر از این است:
• قابل استفاده با هر فلز جوش‌پذیر
• نرخ و حجم رسوب‌دهی بالا (ساخت سریع قطعه)
• کاهش چشمگیر مصرف و هدررفت مواد اولیه
• بهره‌گیری از تجهیزات جوشکاری موجود
• امکان ساخت قطعات بسیار بزرگ
• آزادی طراحی و ایجاد هندسه‌های پیچیده
• رفتار مواد و فرآیند بر اساس تجربیات گسترده جوشکاری شناخته شده است

چرا از چاپ سه بعدی فلزی WAAM  استفاده کنیم؟

صنایع بسیاری از دفاعی و دریایی تا معماری و هوافضا می‌توانند از مزایای ساخت قطعات فلزی بزرگ و جایگزینی سریع بهره‌مند شوند. چاپ سه بعدی فلزی WAAM یا همان چاپ سه بعدی قوس سیمی در موارد زیر کاربرد دارد:

• ساخت سریع قطعات فلزی بزرگ

• بازتولید قطعات صنایع سنگین

• ایجاد ویژگی‌های فلزی منحصر‌به‌فرد

• تعمیر قالب‌های ریخته‌گری

• تعمیر یا تغییر کاربری قطعات فلزی در محل

• کاهش ضایعات و دستیابی به اهداف پایداری

با داشتن یک دستگاهچاپ سه بعدی قوس سیمی WAAM یا استفاده از خدمات چاپ محلی، مشکلات زنجیره تأمین حذف شده و قطعات فلزی سریع‌تر وارد چرخه استفاده می‌شوند. به گفته Filomeno Martina، مدیرعامل و هم‌بنیان‌گذار شرکت WAAM3D :
«از آنجا که چاپ سه بعدی فلزی WAAM برای ساخت سازه‌های بسیار بزرگ مناسب است که معمولاً فقط در چند نقطه خاص جهان آهنگری می‌شوند، شاهد افزایش تقاضا هستیم و فکر می‌کنم این روند رشد بیشتری خواهد داشت.»

مواد مورد استفاده در چاپ سه بعدی فلزی WAAM 

WAAM با هر فلزی که قابلیت جوشکاری داشته باشد، کار می‌کند. این یعنی گستره انتخاب برای صنایع مختلف بسیار وسیع است. مواد رایج در چاپ سه بعدی فلزی WAAM یا همان چاپ سه بعدی قوس سیمی شامل موارد زیر هستند:

• فولاد ضدزنگ

• فولاد نرم

• فولاد ابزار

• آلومینیوم

• تیتانیوم

• مس و آلیاژهای مس

(این انعطاف‌پذیری باعث شده که چاپ سه بعدی قوس سیمی WAAM به یک راهکار مقرون‌به‌صرفه برای تولید قطعات متنوع فلزی در صنایع مختلف تبدیل شود.)

نمونه‌ها و کاربردهای صنعتی چاپ سه بعدی فلزی WAAM 

فرض کنید در صنعت نفت و گاز به یک قطعه فلزی خاص فوراً نیاز دارید. چاپ سه بعدی فلزی WAAM می‌تواند شکل تقریبی قطعه را با سرعت حدود 600 سانتی‌متر مکعب در ساعت تولید کند و سپس آن را با CNC به ابعاد دقیق برساند. استارتاپ استرالیایی AML3D دقیقاً چنین کاری انجام داد: ساخت یک اسپول لوله‌کشی 940 کیلوگرمی برای صنعت نفت و گاز. این قطعه اولین نمونه‌ای بود که با چاپ سه بعدی قوس سیمی ساخته شد و تحت آزمایش فشار مستقل قرار گرفت. ابعاد آن 850 میلی‌متر طول، 450 میلی‌متر عرض و ضخامت 41 میلی‌متر بود و طبق استاندارد جدید API 20S ساخته شد و تمام معیارهای پذیرش تست را پشت سر گذاشت، از جمله آزمایش فشار بالا طبق استانداردهای صنعتی.

مزایای عملی چاپ سه بعدی فلزی WAAM:

• کاهش چشمگیر زمان تولید، تا ماه‌ها در برخی قطعات بزرگ

• کاهش ضایعات مواد اولیه، زیرا قطعه تقریباً نزدیک به ابعاد نهایی ساخته می‌شود

• پشتیبانی از فلزات گران‌قیمت مانند تیتانیوم با حداقل هدررفت

فلزات پرکاربرد در فناوری چاپ سه بعدی WAAM شامل موارد زیر هستند:

• تیتانیوم (TI-6Al-4V، گرید 5، گرید 23)

• فولادها (مارِجینگ گرید 250، دوبلکس 2205، 2507، مارتنزیتی 410، آستنیتی 420)

• فولاد ضدزنگ (316L)

• آلومینیوم (2319، 4043، 5183، 5356، 5087)

• آلیاژهای نیکل (Inconel 625 و 718، FeNi36 (INVAR)، NiAlCu (NAB))

با افزایش علاقه به چاپ سه بعدی قوس سیمی، دامنه انتخاب مواد نیز رو به گسترش است. به عنوان نمونه، تأمین‌کننده مواد Alloy Wire International مجموعه‌ای از آلیاژهای تخصصی هوافضا، از جمله Monel، Nimonic، Nitronic، Waspaloy و Phynox را ارائه می‌دهد و دامنه محصولات خود را به بیش از 60 نوع ماده مختلف توسعه داده است.

کیفیت مواد و استانداردهای صنعتی در چاپ سه بعدی فلزی WAAM 

قطعات ساخته‌شده با چاپ سه بعدی فلزی WAAM به‌خاطر چگالی بالا و خواص مکانیکی قوی شهرت دارند. چون سیم فلزی خوراک‌دهی‌شده به‌طور ذاتی متراکم است، فرآیند ساخت باعث ایجاد تخلخل چشمگیری نمی‌شود. مطالعه‌ای در سال 2024 توسط دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه گدیک استانبول نشان داد که قطعات فولاد ضدزنگ 316 ساخته‌شده با چاپ سه بعدی قوس سیمی، استحکام تسلیم و کششی بالاتری نسبت به قطعات ریخته‌گری دارند و مقاومت به خوردگی بهتری ارائه می‌کنند.

طبق تحقیقات اخیر Kai Treutler و Volker Wesling، «کلید درک فناوری WAAM، شناخت عمیق فرآیندهای جوشکاری مورد استفاده است. تفاوت‌های بین ساخت افزایشی و جوشکاری اتصالی، عمدتاً ناشی از اختلاف در رسانایی حرارتی است که در ساختارهای دیواره‌نازک به‌طور قابل‌توجهی کمتر است. بنابراین، مدیریت حرارتی عامل کلیدی برای دستیابی به شکل و خواص مطلوب قطعه است.»

کنترل دقیق دما، اندازه مسیر جوش (bead)، ارتفاع و عرض لایه، شدت جریان، سرعت رسوب‌گذاری، حرکت ربات، و ترکیب این پارامترها با توجه به ماده و شکل قطعه نهایی، راز موفقیت دستگاه‌های چاپ سه بعدی فلزی WAAM امروزی است. تا پیش از عرضه نرم‌افزارهای پیشرفته کنترل، WAAM امکان تجاری‌سازی نداشت و همین نرم‌افزارها نقطه تمایز محصولات فعلی بازار هستند.

قطعات WAAM در هر نرم‌افزار CAD یا CAM طراحی شده و سپس به نرم‌افزار اختصاصی هر دستگاه منتقل می‌شوند. به‌عنوان نمونه، WAAM3D مجموعه نرم‌افزاری ویژه‌ای دارد:

• WAAMPlanner برای برش مدل، تدوین استراتژی ساخت و مسیر ابزار

• WAAMCtrl برای کنترل چاپگر و پایش فرآیند ساخت

• WAAMSim برای شبیه‌سازی مجازی و بررسی برخورد احتمالی و تأیید مسیر ابزار

علاوه بر کنترل پارامترها، WAAMCtrl سابقه‌ای قابل ممیزی از فرآیند ساخت ارائه می‌دهد. شرکت Gefertec نیز نرم‌افزار CAM-3DMP را برای ایجاد مسیر ابزار ارائه کرده و با همکاری Siemens Digital Industries، زنجیره کامل فرآیند CAD/CAM را در پلتفرم Siemens NX ادغام نموده است.

چالش‌ها و محدودیت‌های چاپ سه بعدی فلزی WAAM 

فناوری چاپ سه بعدی فلزی WAAM در حال نفوذ به تولید سنتی است، اما بدون چالش هم نیست. تلاش‌ها برای افزایش سرعت و ساده‌سازی نرم‌افزار در جریان است، به‌همراه تحقیقات و توسعه برای تبدیل WAAM از روشی برای تولید تک‌قطعه یا کم‌تیراژ به یک روش تولید انبوه.

• محدودیت اقتصادی در تولید انبوه: WAAM برای قطعات با حجم تولید بالا از نظر اقتصادی با روش‌های سنتی رقابت نمی‌کند، زیرا پس از ساخت قالب فورج یا ریخته‌گری، تولید صدها یا هزاران قطعه با ریخته‌گری بسیار سریع‌تر انجام می‌شود.

• محدودیت دقت: WAAM نمی‌تواند با فناوری‌های ذوب پودر رقابت کند، هرچند هدف آن هم این نیست. برای رسیدن به تلرانس‌های دقیق، از ماشین‌کاری CNC پس از چاپ استفاده می‌شود.

• تمرکز کاربردی: در حال حاضر، تمرکز WAAM بر گسترش کاربردهایی است که زمان و هزینه فورج و ریخته‌گری فلزات، زنجیره تأمین را با مشکل مواجه می‌کند.

زمانی که انتقال تولید به نقطه نزدیک‌تر به محل مصرف از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی اهمیت بیشتری می‌یابد – مانند صنایع نفت و گاز و دریایی – چاپ سه بعدی قوس سیمی راهکاری ارائه می‌دهد که با هر کاربرد جدید، کارایی خود را اثبات می‌کند.

«پذیرش WAAM فقط مسئله زمان است»، Wei Ya یکی از بنیان‌گذاران RamLab، سازنده و مرکز تحقیقاتی دستگاهWAAM در روتردام می‌گوید. «مانند هر مفهوم یا روش جدید دیگر، از یک سو، صنعت برای ایجاد استانداردها، مقررات و قوانین مشترک نیاز به زمان دارد؛ و از سوی دیگر، باید زمانی صرف شود تا مردم شناخت بهتری از فناوری پیدا کنند، با آن آشنا شوند و در نهایت از آن استفاده کنند.»

ماشین‌های چاپ سه بعدی فلزی WAAM 

فناوری چاپ سه بعدی فلزی WAAM در انواع پیکربندی‌ها عرضه می‌شود؛ از پادهای آماده و مستقل تا سیستم‌هایی که به ربات‌های جوشکاری قوسی موجود اضافه می‌شوند. این ماشین‌ها که معمولاً صدها هزار دلار قیمت دارند، اغلب متناسب با نیازها و کاربردهای شما سفارشی‌سازی می‌شوند.

روندهای اخیر نشان می‌دهد که شرکت‌های دارای توانایی تولید افزایشی با بازوی رباتیک، در تلاش برای ورود به بازار چاپ سه بعدی قوس سیمی هستند. برای مثال، شرکت Caracol گسترش فعالیت خود از تولید پلاستیک با بازوی رباتیک به سمت فناوری WAAM را اعلام کرده است.

برخی از تأمین‌کنندگان برتر ماشین‌های WAAM در بازار

AML3D پیشرو در WAAM صنعتی

شرکت AML3D، سازنده استرالیایی چاپ سه بعدی فلزی WAAM، در سال 2014 تأسیس شد و اخیراً دفتر مرکزی آمریکا را در اوهایو افتتاح کرده است. دستگاهArcemy این شرکت، قطعات صنعتی بزرگ را از فلزات و آلیاژهای مختلف شامل تیتانیوم، آلومینیوم، نیکل، فولاد ضدزنگ و فولاد کربنی برای صنایع هوافضا، دفاعی و دریایی تولید می‌کند. سیستم Arcemy در چهار نسخه EDU، Small، Enterprise و X عرضه می‌شود و به گونه‌ای طراحی شده است که قابلیت مقیاس‌پذیری دارد. فناوری WAM (Wire Arc Manufacturing) این شرکت، مشابه چاپ سه بعدی قوس سیمی، از قوس الکتریکی و سیم جوش به عنوان ماده اولیه برای تولید قطعات متوسط تا بزرگ یا تعمیرات استفاده می‌کند.

WAAM3D رباتیک و MiniWAAM

شرکت WAAM3D در سال 2018 تأسیس شد و ریشه در تحقیقات دانشگاه کرنفیلد بریتانیا دارد. بنیان‌گذاران این شرکت با دهه‌ها تجربه تحقیقاتی، راهکاری مبتنی بر نرم‌افزار اختصاصی ارائه کرده‌اند. در مه 2024، نسخه کوچک‌تر دستگاهخود به نام MiniWAAM معرفی شد، مناسب برای ادغام راحت چاپ سه بعدی قوس سیمی در جریان تولید، تحقیق و توسعه و نمونه‌سازی.

سیستم RoboWAAM شامل سیستم حرکتی رباتیک Kuka، انتخاب منبع توان متناسب با ماده و فرآیند، ابزار انتهایی با حسگرها و نرم‌افزار اختصاصی است. حجم چاپ RoboWAAM برابر 2000×2000×2000 میلی‌متر بوده و دارای راهکارهای شیلدینگ، فیلتراسیون دود، محیط بی‌اثر و سیستم‌های ایمنی پیشرفته است.

Gefertec فناوری 3DMP بزرگ‌مقیاس

شرکت آلمانی Gefertec فناوری WAAM خود را با نام 3DMP (3D Metal Print) ارائه می‌دهد. این سیستم ترکیبی از جوشکاری قوسی و نرم‌افزار CAM با کنترل Siemens است. دستگاهArc80X جدید، فضای ساخت بزرگ، قابلیت تولید خودکار و ماژول مخصوص تیتانیوم دارد. نسخه پنج‌محوره Arc80X قادر به تولید قطعات با قطر 0٫9 متر و ارتفاع 1٫4 متر است. پرینترهای Gefertec دارای حسگرهای دما، خنک‌کننده موضعی گازی و ماژول جداگانه تیتانیوم هستند و با نرم‌افزار Siemens NX CAM یکپارچه شده‌اند.

Norsk Titanium رسوب‌گذاری پلاسما

Norsk Titanium از نروژ فرآیند WAAM خود را «رسوب‌گذاری سریع پلاسما» (RPD) می‌نامد. این سیستم از جوشکاری قوس پلاسما برای شکل‌دهی سیم تیتانیوم در محیط بی‌اثر آرگون استفاده می‌کند و عمدتاً برای صنایع هوافضا و دفاع طراحی شده است. چاپگر Merke IV با فضای تولید 300×600×900 میلی‌متر، دقت بالا و کاهش زمان ماشین‌کاری را ارائه می‌دهد و قطعات ساختاری تیتانیوم با تأیید FAA تحویل می‌دهد.

MX3D سیستم رباتیک 8 محوره

سیستم M1، مدل پوشیده (Enclosed) با تنظیمات رباتیک 8 محوره ABB و دستگاه جوش Fronius GMAW/CMT، قادر به تولید قطعات فلزی تا ابعاد 3.6×1.5×6 متر است. این سیستم برای صنایع دریایی، انرژی، نفت و گاز، ساختمان و صنایع سنگین طراحی شده و کاملاً قابل سفارشی‌سازی است. نرم‌افزار MetalXL مدیریت مسیر ابزار و استراتژی‌های چاپ را بر عهده دارد.

RamLab MaxQ هوشمند

RamLab در هلند ابتدا برای چاپ سه‌بعدی قطعات یدکی کشتی‌ها آغاز به کار کرد و اکنون سیستم MaxQ را ارائه می‌دهد. MaxQ می‌تواند ربات‌های جوشکاری موجود را به ماشین‌های چاپ سه بعدی قوس سیمی تبدیل کند و فرآیند تولید، بازرسی کیفیت و صدور گواهی را خودکار انجام دهد. نسخه MaxQ Repair برای کارگاه‌ها و تکنسین‌های میدانی طراحی شده و فضای کمی (کمتر از 2 متر مربع) اشغال می‌کند.

MetalWorm مقرون به صرفه

شرکت MetalWorm از ترکیه سیستم‌های WAAM رباتیک با کنترل کامپیوتری ارائه می‌دهد. سیستم MW-Lab برای قطعات تا قطر 500 میلی‌متر و ارتفاع 500 میلی‌متر طراحی شده و از ربات Fanuc CRX-5iA Cobot و منابع Fronius CMT استفاده می‌کند. این سیستم قادر به چاپ آلیاژ آلومینیوم، فولاد، فولاد ضدزنگ، اینوار، برنز آلومینیوم-نیکل و آلیاژ نیکل است و مسیر ابزار و استراتژی‌های چاپ را به صورت خودکار ایجاد می‌کند.

نتیجه‌گیری

چاپ سه بعدی فلزی WAAM یا تولید افزایشی قوس سیمی، تحولی بزرگ در ساخت قطعات فلزی بزرگ و پیچیده ایجاد کرده است. این فناوری امکان ساخت سریع، اقتصادی و سفارشی‌سازی قطعات فلزی با کیفیت بالا را فراهم می‌کند و در صنایع هوافضا، دفاعی، دریایی و انرژی کاربرد فراوان دارد. با استفاده از ماشین‌های WAAM، شرکت‌ها می‌توانند ضایعات مواد را کاهش دهند، زمان تولید را کوتاه کنند و به راحتی قطعات کم‌تیراژ یا پیچیده را تولید کنند. فناوری WAAM، با ترکیب اصول شناخته‌شده جوشکاری و نرم‌افزارهای پیشرفته کنترل، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه و قابل اعتماد برای تولید صنعتی و تعمیر قطعات فلزی به شمار می‌رود.