电弧增材制造替代激光能量沉积，成为大型铝合金构件3D打印的重要技术
电弧增材制造替代激光能量沉积，成为大型铝合金构件3D打印的重要技术
随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出了越来越高的要求。高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。近年来，采用大型整体式铝合金构件替代传统的组合式铝合金构件，可减重15-20%，并且构件寿命及可靠性明显增加。然而，当前以SLM技术为主的铝合金3D打印工艺仍无法满足数米大型铝合金构件的制造需求。本文将介绍电弧增材制造技术在大型铝合金构件3D打印领域的应用现状和发展前景。
一些民用干线飞机用材结构比例（%）
激光能量沉积技术的局限性
激光能量沉积技术虽然能够一次成型整体大尺寸构件，且材料利用率高、适合个性化零件生产，但在制造大型铝合金构件时面临诸多挑战：
- 铝合金的导热率高，激光吸收率低，反射率高，导致能量损失大，成形效率低；
- 铝合金的热膨胀系数大，易产生变形和应力；
- 铝合金易与氧反应生成Al2O3氧化层，影响后续沉积质量；
- 铝合金密度低，易产生粉尘飞溅，影响打印环境；
- 铝合金在熔融状态下易吸收氢，易形成气孔；
- 低沸点合金元素易烧损，影响合金成分和性能。
电弧增材制造技术的优势
电弧增材制造（WAAM）技术由于以下优点，逐渐成为大型铝合金构件3D打印的重要工艺：
- 高沉积效率
- 高材料利用率
- 低设备成本
- 能够处理对激光高度反射的金属
- 能够满足大尺寸铝合金部件的生产需求
使用电弧增材制造零件（来自voestalpine）
电弧增材制造的铝合金零件
目前，许多不同系列铝合金的电弧增材制造试验已经成功进行，包括Al-Cu（2xxx系列）、Al-Mg（5xxx系列）、Al-Si（4xxx系列）和Al-Zn（7xxx系列）。然而，Al-Mg-Si(6xxx)和Al-Zn(7xxx)合金的制造仍具挑战性，Al-Mg(5xxx)合金的强度相对较低，难以满足航空航天工业的需求。
应用案例
电弧增材制造在国内已经形成了一定规模，成为继SLM、LENS之后另一种受到关注的金属3D打印工艺。在航空航天领域的应用包括：
- 2023年3月，Relativity公司的Terran 1火箭成功发射，其末端执行器采用了电弧和激光沉积技术，并采用铝合金材料打印。
- 2023年4月，首都航天机械有限公司电弧增材制造技术获评中国航天科技集团2022年度十大技术突破。捷龙三号火箭的卫星支架和过渡段产品，以及长十一火箭的卫星支架端框和支撑杆均采用了电弧熔丝增材制造技术。公司已有12件电弧增材产品成功通过飞行考核，成功率100%。
Terran 1火箭
面对电弧增材制造质量差的问题，2022年弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术。融速科技研发团队则研发出了高效铝合金气孔抑制技术，符合HB963一级标准。
未经打磨、加工等后处理的电弧增材打印毛坯件
融速科技铝合金电弧增材制造气孔抑制技术
总结
电弧增材制造技术在大型铝合金构件直接制造方面展现出显著优势，相关应用已呈现出一定规模。相比激光能量沉积，电弧增材制造具有成形效率高、设备成本低、柔性制造等优点。相比其他铝合金大型构件增材制造工艺，如搅拌摩擦焊，电弧增材制造的优势同样突出。目前，国内外多家企业都在该领域取得重要进展，为航空航天等领域的高性能铝合金构件制造提供了新的解决方案。