DED添加剤の堆積速度が10kg/hを超えました！ミシガン大学の積層造形センターがCW-GMAプロセスを公開

出典: WAAM アークアディティブ

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、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、最高の積層造形ジャーナルであるAdditive Manufacturing（引用率17、インパクトファクター11）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。

異なるエネルギー入力レベルでの最大堆積速度を研究したところ、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。

紙面イメージ

図1. 冷線ガス金属アーク（CW-GMA）ベースの直接アーク堆積（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、コールドワイヤ、基板の構成を示す概略図。

図 3. 電源の校正: (a) アーク電流対 HWFS、(b) アーク電圧対 HWFS、(c) 出力電力対 HWFS、(d) 出力電力対アーク電流。

図4. （a）ビード幅、ビード高さ、ビード断面積（A1）の定義、および基材の再溶融面積（A2）の定義を示す概略図。（b）総壁幅と有効壁幅の定義。

図5. 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(a)と、引張試験に使用されたサンプルの寸法(b)を示す概略図。注: BD - 構築方向、TD - 横方向、ND - 法線方向。

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順序、(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。ピンクの矢印はトーチの動きの方向を示します。

図 8. (a) ハードワイヤ送り速度 (HWFS) の関数として達成された最大冷間ワイヤ送り速度 (CWFS)、(b) HWFS の関数として達成された最大堆積速度、(c) 広範囲のアークワイヤ DED プロセス中のさまざまなプロセス条件下での鋼の最大達成堆積速度。

図 9. 異なるアーク電流レベルでのビード溶接形状に対する冷間ワイヤ送り速度 (CWFS) の影響: (a) ビード溶接幅、および (b) ビード溶接高さ。

図10. (a) 同じアーク電流 (301 A) で異なる冷間ワイヤ送り速度 (CWFS) を使用して得られたビード溶接の断面、(b) ビード溶接の希釈、および (c) 対応するビード溶接の総溶融面積。

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）ハードワイヤ送り速度（HWSF）対コールドワイヤ送り速度（CWFS）、および（b）溶接速度（TS）対コールドワイヤ送り速度（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）ハードワイヤ送り速度（HWSF）対コールドワイヤ送り速度（CWFS）、および（b）溶接速度（TS）対コールドワイヤ送り速度（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、および（c）表面の波状性。

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 つの典型的な応力-ひずみ曲線、および (b) 各条件における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方向と垂直方向のサンプルを表し、CW-GMA_H と CW-GMA_V はそれぞれ CW-GMA プロセスによって生成された水平方向と垂直方向のサンプルを表すことに注意してください。

図15: 娘フェライトと再構成された前駆体オーステナイトのEBSD逆極点図方位マップ、およびBD-ND面から取得された再構成オーステナイト相の逆極点図と極点図: (a1-a4) GMA処理サンプルと(b1-b4) CW-GMA処理サンプル。GMA処理サンプルとCW-GMA処理サンプルの(c)再構成オーステナイト粒度分布と(d)アスペクト比の比較。

図 16. コンポーネントの堆積プロセス: (a)、(b)、(c) は最初の層の堆積を示します。(d) は部品 1 の堆積を示します。(e) は部品 2 の堆積を示します。(f) はコンポーネントの最終的な外観を示します。

主な結論

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。

連絡先著者

スチュワート・ウィリアムズはクランフィールド大学の溶接科学および工学の特別教授であり、ロンドン大学ロイヤル・ホロウェイ校でレーザー物理学の博士号を取得しています。彼は学術分野に大きな影響力を持っており、5,968 回の引用と 311 人の著者と共同で発表した複数の研究成果を有しています。彼の H 指数は 65 と高く、積層造形分野、特に積層造形分野の重要なトップジャーナルにおける彼の卓越した地位を浮き彫りにしています。

彼の研究は、積層造形とレーザー加工に焦点を当てており、特にワイヤアーク積層造形 (WAAM) プロセスを専門とし、大規模な工学構造物の効率的な製造を可能にすることを目指しています。 WAAMMat プロジェクトのリーダーとして、彼は学生プロジェクト、産業契約、政府資金プロジェクトを含む 20 以上の活動を含むプロジェクトの開発を主導し、産業界および学術界のパートナーとの緊密な連携を構築しています。

チョン・ワン氏はクランフィールド大学の付加製造分野の研究者です。 2021年にクランフィールド大学より博士号を取得。研究は、プラズマアーク、ガスメタルアーク、ハイブリッドアークレーザープロセスを使用した金属付加製造プロセスに焦点を当てています。

論文引用

チョン・ワン、ジュン・ワン、ジョアン・ベント、ジャルオ・ディン、ゴンサロ・パルダル、グアンユ・チェン、ジアン・チン、ヴォイチェフ・スーダー、スチュワート・ウィリアムズ、

高生産性積層造形のための新しい冷線ガス金属アーク（CW-GMA）プロセス

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103681.

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