新しいアーク積層造形技術により、堆積速度10kg/h以上、粒径の縮小、機械的特性の向上を実現

新しいアーク積層造形技術により、堆積速度10kg/h以上、粒径の縮小、機械的特性の向上を実現
出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

ワイヤアーク指向性エネルギー堆積法 (DED) は、大きな金属部品を高い堆積速度で堆積させるために使用されます。全体的な製造時間を短縮し、生産効率と利益をさらに向上させるには、より高い堆積速度が必要です。しかし、高エネルギー入力を特徴とする従来のガスメタルアーク (GMA) アーク DED では、通常、比較的高い堆積速度で再溶融および再加熱の問題が発生しやすく、プロセス効率が低下し、機械的特性が損なわれます。

この問題を解決するために、英国クランフィールド大学溶接・積層造形センター（クランフィールド大学）のスチュワート・ウィリアム教授と彼のチームは、積層造形のトップジャーナル「Additive Manufacturing」に「高生産性積層造形のための新しいコールドワイヤガスメタルアーク（CW-GMA）プロセス」と題する研究論文を発表しました。彼らは、高い堆積速度と低い材料再溶解を実現するために、GMAと外部コールドワイヤを組み合わせた新しいアーク積層造形DEDプロセス、すなわちコールドワイヤガスメタルアーク（CW-GMA）を提案しました。


この論文では、さまざまなエネルギー入力レベルでの最大堆積速度を研究し、最高堆積速度は 14 kg/h に達しました。このプロセスを使用して、約 10 kg/h の堆積速度で重量 280 kg の工業用コンポーネントが製造され、大量生産アプリケーション向けのプロセスの能力が実証されました。また、冷間ワイヤの追加により再溶融現象が大幅に減少することも判明しました。この研究では、正確なパラメータを選択し、単層構造の形状を予測するために、CW-GMA プロセスのワークスペースと幾何学的プロセス モデルも開発しました。さらに、CW-GMA プロセスにコールドワイヤを追加すると、比エネルギー密度が低下し、粒径と異方性が低減し、機械的特性が向上し、強度が向上し、異方性が低減します。

図1。 冷線ガス金属アーク（CW-GMA）ベースのアーク積層造形（DED）システムの実験セットアップを示す概略図 図2。 GMAトーチ、冷線、および基板の構成を示す概略図 図3。 電源のキャリブレーション（a）ハードワイヤ送り速度（HWFS）の関数としてのアーク電流、（b）ハードワイヤ送り速度（HWFS）の関数としてのアーク電圧、（c）ハードワイヤ送り速度（HWFS）の関数としての出力電力、および（d）アーク電流の関数としての出力電力 図4。 （a）ビード幅、ビード高さ、ビード断面積（A1）の定義、および基板の再溶融領域（A2）の定義、（b）合計壁幅と有効壁幅の定義を示す概略図 図5。 （a）引張試験および微細構造分析のために2つの壁から抽出されたサンプルの位置、および（b）引張試験のサンプル寸法を示す概略図。 BD はビルド方向、TD は横方向、ND は法線方向であることに留意してください。図 6。(a) コンポーネントの形状、(b) コンポーネントの断面と堆積シーケンス、(c) コンポーネントと堆積ツールの設計、(d) コンポーネントとツールの設計の断面。図 7。同じハードワイヤ送り速度 (HWFS) 8 m/分で異なるコールドワイヤ送り速度 (CWFS) でのプロセス安定性とビード溶接外観の比較: (a) CWFS 10 m/分での堆積プロセス、(b) CWFS 12 m/分での堆積プロセス、(c) CWFS 10 m/分でのビード溶接外観、(d) CWFS 12 m/分でのビード溶接外観、ピンクの矢印は移動方向を示します。図 8。(a) ハードワイヤ送り速度 (HWFS) の変化で達成される最大コールドワイヤ送り速度 (CWFS)、(b) HWFS の変化で達成される最大堆積速度。(c)広範囲のアークワイヤ DED プロセス中に、さまざまなプロセス条件下で鋼に対して達成された最大堆積速度。図 9。異なるアーク電流レベルでの冷間ワイヤ供給速度 (CWFS) によるビード形状への影響 (a) ビード幅、および (b) ビード高さ。図 10。(a) 同じアーク電流 (301 A) で異なる冷間ワイヤ供給速度 (CWFS) を使用して得られたビード断面、(b) ビード希釈、および (c) 対応するビードの総溶融面積。図 11。ビード溶接平板実験に基づく CW-GMA プロセスの作業空間 (a) ハードワイヤ供給速度 (HWSF) 対冷間ワイヤ供給速度 (CWFS)、および (b) 溶接速度 (TS) 対冷間ワイヤ供給速度 (CWFS)。図 12。多層シングルパス壁に基づく CW-GMA プロセスの作業空間 (a) ハードワイヤ供給速度 (HWSF) 対冷間ワイヤ供給速度 (CWFS)、および (b) 溶接速度 (TS) 対冷間ワイヤ送り速度 (CWFS) 図 13。CW-GMA ベースのアークワイヤ DED の多層シングルパス壁の幾何学的プロセス モデル (a) 有効壁幅、(b) 層の高さ、(c) 表面のうねり 図 14。標準 GMA および CW-GMA プロセスによって生成されたサンプルの引張特性 (a) 2 つのプロセスによって生成された 2 つの異なる方向に対する 4 つの一般的な応力 - ひずみ曲線、および (b) 各条件の強度と伸びの平均値。 GMA_HとGMA_Vは、それぞれ標準GMAプロセスによって生成された水平および垂直方向のサンプルを表し、CW-GMA_HとCW-GMA_Vは、CW-GMAプロセスによってそれぞれ生成された水平および垂直方向のサンプルを表します。 BD-ND平面（A1-A4）GMAプロセスサンプルと（B1-B4）CW-GMAプロセスサンプルから取得した再構築されたオーステナイト相パート1、（e）はパート2の堆積を示しており、（f）がコンポーネントの最終的な外観を示しています。論文の重要な結論は次のとおりです。
1. CW-GMA の最大 DED 堆積速度は 14 kg/h で、これはすべての単一電力アーク添加剤 DED プロセスの中で最高です。このプロセスを使用して、質量 280 kg の工業規模の部品を 10 kg/h に近い堆積速度で製造することに成功し、このプロセスを使用して大規模な工学構造物を高い生産効率で構築できることを実証しました。

2. CW-GMA プロセスにコールド ワイヤを追加すると、ビード溶接の形状が変わり、標準の GMA プロセスと比較して再溶融および再加熱の回数が大幅に減少します。具体的には、溶融効率の向上によりビード溶接幅がまず増加し、その後、コールドワイヤが溶融池のエネルギーを吸収することで安定する傾向にあります。冷間ワイヤ供給速度 (CWFS) が増加すると、基板または事前堆積層によって吸収されるエネルギーが減少するため、再溶融は継続的に減少します。

3. CW-GMA プロセスの作業空間は、単層および多層堆積に基づいて実現されます。これを使用して、プロセス パラメータの選択をガイドし、プロセス内の欠陥を回避できます。さらに、多層シングルパス壁のプロセスモデルが構築され、これを使用して、TWW、EWW、LH などの堆積壁の幾何学的特性を予測できます。

4. CW-GMAの微細構造と機械的特性を調べ、標準GMAプロセスのそれらと比較した。冷間ワイヤの追加により、CW-GMA プロセスでは標準の GMA プロセスと比較して比エネルギー密度が低下し、粒子がより小さく等方的になるため、前者の引張強度は高くなり、異方性は低くなります。

指向性エネルギー堆積、DED、アーク

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