Ingenieure bauen Open-Source-Portal-montierten WAAM-Metall-3D-Drucker für nur 1.000 US-Dollar

Ingenieure bei der US-amerikanischen California State University und Türkisch Eskisehir Osmangazi Universität haben einen kostengünstigen 3D-Drucker für die additive Fertigung mit Drahtlichtbogen (WAAM) entwickelt, der für nur 1.000 US-Dollar gebaut werden kann.

Durch die Integration der Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißtechnologie (GTAW) in einen FDM-ähnlichen Portalaufbau konnten die Forscher eine Maschine entwickeln, die nicht auf komplexe Roboterarme angewiesen ist und es ihnen ermöglicht, sie erschwinglich und quelloffen zu halten, während sie anfänglich Tests haben seine Kompatibilität mit Kohlenstoffstahl und Inconel 718 gezeigt.

„Das vorgeschlagene System kann zusammen mit den richtigen Prozessparametern mit vielen Metalllegierungen verwendet werden, die von GTAW und WAAM verarbeitet werden können, mit weniger Aufwand und geringeren Kosten im Vergleich zu den teuren Pulverbettsystemen“, so das Team in seinem Papier. „Beispiele für verarbeitbare Legierungen sind Superlegierungen auf Titan-, Aluminium-, Nickel- und Kobaltbasis sowie niedriglegierte Stähle.“

Der Prototyp eines auf einem Portal montierten WAAM-3D-Druckers der Forscher. Foto über das Journal of Manufacturing and Materials Processing.

Annahme von Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen

Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und im Automobilsektor zeigen 3D-Metalldrucktechnologien wie das Pulverbettschmelzen (PBF) und die direkte Energieabscheidung (DED) deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen subtraktiven Verfahren. Mit PBF ist es beispielsweise jetzt möglich, filigrane Objekte mit inneren Durchgängen und hochauflösenden Features herzustellen, aber auch solche Systeme seien teuer und kompliziert in der Bedienung, sagen die Forscher.

Ebenso erkennen die Ingenieure die großen Bauvolumina und Komponentenreparaturfähigkeiten an, die mit DED-Maschinen verbunden sind, behaupten jedoch, dass die Technologie auf kostspieligen Lasern und Robotern beruht und die resultierenden Teile eine umfangreiche Nachbearbeitung erfordern.

Von den herkömmlichen 3D-Metalldruckverfahren auf dem Markt lobt das Team insbesondere GTAW, einen gasbetriebenen Ansatz, bei dem ein elektrischer Lichtbogen verwendet wird, um Drahtrohstoffe in die gewünschten Formen zu schmelzen. Unter die Kategorie der DED-Technologie fallend, sind solche Setups in Forschungskreisen aufgrund ihrer erschwinglichen halbautomatischen Drahtvorschubsysteme und ihrer breiten Legierungskompatibilität beliebt geworden.

Trotz dieser Vorteile kann die Entwicklung eines effektiven, kostengünstigen GTAW-Systems jedoch eine gefährliche Aufgabe sein, bei der die Verwendung instabiler Parameter zur Erzeugung fehlerhafter Teile oder zu Sicherheitsproblemen führen kann. Unbeirrt hat das amerikanisch-türkische Team nun einen neuartigen Weg gefunden, um die Kosten von WAAM-Maschinen zu senken, indem es eine in einer 3-Achsen-Konfiguration baut und ihre Wirksamkeit testet.

Ein Schema der Komponenten, die im WAAM-3D-Drucker der Ingenieure für 1.000 US-Dollar enthalten sind.
Ein Schema der Komponenten, die im WAAM-3D-Drucker der Ingenieure für 1.000 US-Dollar enthalten sind. Bild über das Journal of Manufacturing and Materials Processing.

WAAM 3D-Druck für die Menschen

Das GTAW-System des Teams besteht aus einem Mikrocontroller, einem WIG-Schweißgerät und speziell entwickelten Teilen wie einer kundenspezifischen automatischen Zuführung an einem Außenrahmen und ähnelt im Aussehen dem vieler kommerzieller kartesischer FDM-3D-Drucker. Anstatt die Halterung des Geräts zu kaufen, hat das Team sie jedoch von Grund auf neu bearbeitet und mit über vierzig ABS-Teilen zusammengehalten, die über ein Stratasys U-Plus-Maschine.

Auf diese Weise fanden die Forscher heraus, dass sie die Kosten für ihren Bau auf etwa 1.000 US-Dollar senken konnten, ohne den Gasbehälter und den Computer, die zum Betanken und Programmieren verwendet wurden. Nachdem sie ihren Prototyp gebaut hatten, unterzog das Team ihn einem Test, bei dem sich herausstellte, dass er Anweisungen von einem Open-Source-Arduino-Mikrocontroller empfangen und einen Wolframbogen mit einem Strom von 5-150 Ampere erzeugen konnte.

Beim GTAW-System traten jedoch auch verschiedene Anlaufprobleme auf, wie zum Beispiel Teileerweichung, Oberflächenwelligkeit und Formverjüngung aufgrund von Vorschubschwankungen und Brennerüberhitzung. Obwohl das Team mehrere Fehlerbehebungen eingeführt hat, um diese Probleme zu beheben, gibt es zu, dass der Winkel zwischen Brenner, Lage und Drahtvorschub immer noch ständig angepasst werden muss, während unförmige Teile weiterhin ein Problem darstellen.

Für die Zukunft sagen die Ingenieure, dass einige der Probleme ihrer Maschine gelöst werden können, indem sie mit einer geschlossenen, mit Inertgas gefüllten Schutzkammer ausgestattet werden, die verhindert, dass Metalle atmosphärisch gestört werden, und da sie automatisch betrieben werden kann, halten sie sie für betriebsbereit. auch für den alltäglichen Anwender betriebssicher gemacht, trotz des extrem hellen und heißen Lichtbogens, der während der Produktion entsteht.

„In dieser Studie haben wir ein kostengünstiges generatives Draht-Lichtbogen-Fertigungssystem entwickelt, das eine alternative Lösung für die Entwicklung und Reparatur hochwertiger metallischer Komponenten bietet“, schloss das Team in seinem Papier. “Der [machine’s] Anwendungen umfassen die Reparatur und Herstellung von Teilen wie Armaturen, Implantaten und Wärmetauschern in der Luftfahrt-, Automobil- und Medizinindustrie.“

30-schichtige Wandstrukturen aus Inconel 718-Legierung über den WAAM 3D-Drucker des Teams.
30-schichtige Wandstrukturen aus Inconel 718-Legierung über den WAAM 3D-Drucker des Teams. Bild über das Journal of Manufacturing and Materials Processing.

Heavy-Duty-Anwendungen von WAAM

In den letzten zwei Jahren wurde die Fähigkeit von WAAM, ultrarobuste Teile in 3D zu drucken, zunehmend in maritimen, militärischen und experimentellen Infrastrukturanwendungen auf die Probe gestellt. Ende letzten Jahres, Firma für Roboter-Metall-3D-Druck MX3D gab bekannt, dass es die Technologie verwendet hatte, um einen einzigartigen “Skelettboden” für einen Prototypen zu schaffen Europäische Weltraumorganisation Mondsiedlung.

Kurz vor der WAAM-Exkursion von MX3D, Hersteller von Schwermaschinen Mensch gab außerdem bekannt, dass es die Technologie zum 3D-Drucken von vier Kranhaken eingesetzt hat. Mit einer Breite von 1,7 x 1,3 Metern und einem Gewicht von satten 1.700 kg kann jeder der großformatigen Drucke bis zu 350 Tonnen heben.

In ähnlicher Weise wurde WAAM in anderen maritimen Anwendungen von Unternehmen wie der französischen Firma verwendet Marinegruppe, um einen Demonstrator für hohle Propellerblätter herzustellen. In weniger als 100 Stunden aus Edelstahl gebaut, wurde der 300 kg schwere Druck erfolgreich gegen Ermüdung und Korrosion getestet, wobei auch seine hydrodynamischen Eigenschaften durch numerische Simulation bewertet wurden.

Die Ergebnisse der Forscher sind in ihrem Papier mit dem Titel „Entwicklung eines kostengünstigen Wire Arc Additive Manufacturing Systems“, das von Miguel Navarro, Amer Matar, Seyid Fehmi Diltemiz und Mohsen Eshraghi gemeinsam verfasst wurde.

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Das vorgestellte Bild zeigt den Prototyp eines auf einem Portal montierten WAAM-3D-Druckers der Forscher. Foto über das Journal of Manufacturing and Materials Processing.

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