西安优弧智熔熊嘉锋:把等离子增材制造从实验室跃上生产线 

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发布时间: 2022-11-08 14:39
等离子弧丝材增材制造(WPAAM)技术,由等离子弧作为热源,丝材为原材料,成形零件经路径软件分层得到的成形路径,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,不断的送入熔池,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形。
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通过这项技术制造的产品质量可与锻件相媲美,可快速制备出复杂的结构件、承力件、大型件,与传统制造工艺相比,不但效率高,缩短近75%的加工时间;而且针对材料利用率低于15%的锻件加工部件,降低近30-80%的成本,适合军工、航空航天、石油化工等行业零部件的制造。

西安优弧智熔增材制造有限公司成功研制出了等离子弧丝材增材制造设备,突破我国增材制造技术瓶颈,填补了国内技术空白。关于这项新技术,我们对此知之甚少,它到底有什么特别之处?处于什么样的发展阶段?又有哪些需要突破的瓶颈?
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西安优弧智熔总经理:熊嘉锋

带着这一系列的问题,我们有机会在2022 TCT亚洲展的现场与优弧智熔总经理熊嘉锋先生进行交流,以下是我们此次访谈的内容。

资源库:能不能介绍一下您自己以及优弧智熔?

熊嘉锋:我叫熊嘉峰,来自陕西西安,专业从事电弧增材制造有10余年,目前主要从事等离子增材制造的研究与应用。优弧智熔成立于2018年,是一家专门为等离子增材制造而成立的公司。目前公司具有20余项专利,员工50余人,可提供等离子丝材增材制造设备与服务、自动化智能化焊接设备与服务。

资源库:TCT亚洲展上优弧智熔带来了什么产品?

熊嘉锋:我们这次展示的是自主研发的WPAAM501等离子丝增材制造设备,成型尺寸是500*500*500mm,可打印材料包含:钛合金、高温合金、铝合金、镁合金和钢等。此外,我们还有一台更大的设备PWAAM1501,可以打印1500*1500*1000mm范围内部件。
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截至目前,该项技术得到了西北有色金属研究院、中国电子科技集团公司第二十所、中广核、西安交通大学、西安理工大学、火箭军工程大学、西安科技大学、新乡学院等众多企业和高校的高度认可与支持。

此外,我们还有一些展品,比如整体重量达26公斤的钛合金部件,它的打印时间可能不到一天能够打印完成,所以在这个件上它具有高效率、低成本、高性能的一个特点。

资源库:等离子丝材增材制造技术的发展目前处于什么阶段?

熊嘉锋:等离子丝材焊接已有50余年的发展,等离子丝材增材制造是在此基础上发展起来的,在国外典型的代表公司是挪威钛,在2019年已通过FAA认证,已实现对波音、空客批量供应零部件。

国内代表公司是西安优弧智熔,我们的核心技术是万向旋转送丝机构和高度跟踪系统,在技术上与挪威钛有异曲同工之妙;在工程应用上,我们的等离子丝材打印的部分部件已成功应用于商业航天,但是整体仅处于认证阶段,需要高校、研究所等更多的机构共同推进等离子丝材增材制造的发展与应用。

资源库:从技术角度来看,优弧智熔解决了什么难点问题?

熊嘉锋:等离子丝材增材制造的第一难点是侧向送丝,它难以在打印过程中实现各向同性。我们发明了万向旋转送丝机构,使得送丝方向随着打印前进方向的变化而变化。

第二大难点是打印过程中热量引起高度的变形,等离子丝材打印的有效距离是5±1mm,过高或过低都会影响打印质量。我们研发了打印高度跟踪系统,打印过程中随着高度的变化而变化,不会发生类似撞枪或者是打印高度落差过大等等现象,可实时保证打印有效距离在5mm。

第三大痛点是工艺,影响等离子打印的参数有20多个,包括:电流、电压、打印高度、送丝速度、打印速度、保护气体流量、等离子气流量、层高、层宽、层间温度、气氛氧含量等。调试20余个参数共同为一个目的服务,工作量非常大,解决这一问题只有依靠基础理论和不断地反复测试。
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第四大痛点是整套设备的集成,不仅要解决大量的PLC编程,而且多设备之间的逻辑,需要付出极大的努力实现设备的自动化。在我们的团队里面有电气专家,软件专家,我们通过工艺去指导机械电气工业,完成了设备的整体集成。

目前,我们解决了这4个难点问题,成功实现了等离子增材制造从实验室到产品级的突破。

资源库:能不能分享一些典型的应用案例?

熊嘉锋:从行业上来讲,此前我们做过一个球形气瓶,已经成功应用于商业航天;打印的一些包括高温合金、钛合金的部件也已经应用于高超无人机行业;另外,目前还有一些民用行业的复杂零部件也使用了这项技术。
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通过等离子增材制造可以节约成本,提高整体的研发效率,目前在这3个行业都已经有成功的典型应用。此外,中国航空航天的相关部门也采购了我们的设备,进行性能的测试,并准备把它投入实际的应用当中。

资源库:现阶段需要突破的瓶颈是什么,有哪些问题需要解决?

熊嘉锋:目前来讲,因为等离子增材制造在中国的发展仍处于星星之火阶段,还有许多需要解决的痛点和问题,我把它总结成以下几个方向。
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第一个是性能的认证。一个产品要应用,首先它的性能要达到标准才行,是否达标,这个需要靠数据来说话。目前需要解决的是进行不断地性能测试,获得大量的基础数据积累,包括从拉伸镜像到疲劳蠕变等等。

第二个是要提高效率。根据国外的报道,美国挪威钛等离子增材制造的速度效率可以达到8Kg/h,目前我们只能达到2Kg/h,因此在效率上我们还有极大的发展空间。

第三个是行业的认可。等离子增材制造到底行不行,好不好,需要得到社会的认可,得到各行业专家的认可,这个事情才有进一步发展空间。在国外等离子增材制造已经应用于波音、空客、洛克希德马丁公司等一些零部件上。但是在国内我们的应用才刚刚开始,所以这个应用得到认可,那就需要有标准,有数据。

资源库:公司下一步将如何走,接下来的目标是什么?

熊嘉锋:我们团队对于等离子增材制造的研究已经有七、八年的时间,但是还有很多问题需要解决,接下来我们主要还是将时间用于设备的迭代升级上。
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首先是,设备的稳定性。设备要能够实现一键开机,产品就能够打印成功。然后是,性能的稳定性。在整个打印过程中,从开始到结束,它的性能是稳定一致的。

接下来是,实现设备智能化。未来的制造一定是一个智能化的过程,在打印过程中机器能够根据参数或者已成型状况的变化,自动的去调节参数,达到一个性能稳定,效率稳定的一个过程。

最后一个目标是要实现数据的多样性与稳定性。不管是从我们测试的基础数据到最后的疲劳蠕变数据,它能够得到行业的认可,能够形成一个行业的标准,这个也是我们的大方向。
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2022年7月,优弧智熔宣布利用等离子弧丝材增材制造技术,成功制备出大尺寸高强度镁合金(AZ91,Al含量9%,Zn含量1%)零部件,其内部组织致密,无气孔、未熔合等冶金缺陷,实现了通过3D打印技术加工镁合金的先列。

随着轻量化大型复杂结构件应用需求的复杂程度和需求量的逐步提升,用户端对于增材制造技术和工艺的要求也越来越高,高效率、低成本、高品质的等离子弧增材制造将越来越广泛的应用于各行各业。

现在,留给优弧智熔的只是需要一个数据证明,这项工艺是没问题的,通过了数据的沉淀与行业的认可,等离子增材制造将成为3D打印领域不可或缺的技术。
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