WAAM: 3D-печать металлом

TL;DR

  • Технология: Wire Arc Additive Manufacturing (наплавка проволоки дугой)
  • Материал: Проволока Ø1.6-2.0 мм (Al, Fe из прокатного стана)
  • Производительность: ~60-180 кг/день (3 ячейки) → сложные детали
  • Применение: Корпуса роботов, кронштейны, рамы, оснастка

Обзор

WAAM — это технология 3D-печати металлом, где робот-манипулятор плавит проволоку электрической дугой и послойно наплавляет материал. Это промышленная альтернатива порошковой 3D-печати, более быстрая и экономичная.

Принцип работы

flowchart TD
    subgraph INPUT["ВХОД"]
        WIRE["Проволока Ø1.6 мм<br/>с волочильного стана"]
    end

    subgraph WAAM_CELL["WAAM-ЯЧЕЙКА"]
        ROBOT["6-осевой робот"]
        TORCH["Сварочная горелка"]
        ARC["Электрическая дуга<br/>~5000°C"]
        FLUX["Флюсовая защита<br/>FCAW-S"]
        TABLE["Поворотный стол"]
    end

    subgraph POST["ПОСТОБРАБОТКА"]
        GRIND["Абразивная<br/>шлифовка"]
        FINISH["Чистовая обработка"]
    end

    subgraph OUTPUT["ВЫХОД"]
        PARTS["Готовые детали<br/>корпуса, рамы, кронштейны"]
    end

    WIRE --> ROBOT
    ROBOT --> TORCH
    TORCH --> ARC
    FLUX --> ARC
    ARC --> TABLE
    TABLE --> GRIND
    GRIND --> FINISH
    FINISH --> PARTS

    style INPUT fill:#f0e68c
    style WAAM_CELL fill:#fff3cd
    style POST fill:#d4edda
    style OUTPUT fill:#cce5ff

Процесс: 1. Робот подаёт проволоку к горелке 2. Электрическая дуга плавит проволоку (и поверхность детали) 3. Капля расплава застывает, образуя наплавленный слой 4. Робот перемещается на 1-2 мм, наплавляет следующий слой 5. Слой за слоем вырастает деталь

WAAM-ячейка

Робот-манипулятор

Параметр Значение
Тип 6-осевой промышленный робот
Грузоподъёмность 10-20 кг (горелка + проволока)
Точность позиционирования ±0.1 мм
Скорость перемещения 0.5-2 м/с
Материал Сталь Fe + Al (местное производство)

Отличие от земных роботов: Лёгкая конструкция из Al (низкая гравитация 0.38g), отсутствие смазки (работает в 0.1 атм O₂).

Сварочная горелка

Параметр Значение
Тип FCAW-S (Flux-Cored Arc Welding — Self-shielded)
Ток 150-300 А
Напряжение 20-30 В
Мощность 3-9 кВт
Подача проволоки 3-8 м/мин
Проволока Порошковая с флюсовым сердечником (TiO₂+CaO+MgO+Fe)

Почему FCAW-S? - Флюс при нагреве создаёт защитный газ и шлаковую корку - Не требует внешнего газа — аргон не импортируется - Компоненты флюса 100% местные: TiO₂ (линия титана), CaO (шлак MRE), MgO (магнезит), Fe - Земные аналоги: Lincoln Electric Innershield, ESAB Coreshield

Производство порошковой проволоки: стальная лента → формовка в трубку → заполнение флюсом → волочение до Ø1.6-2.0 мм

Поворотный стол

Параметр Значение
Диаметр 1-2 м
Грузоподъёмность 500-1000 кг
Скорость вращения 0.1-10 об/мин
Наклон ±45°

Назначение: Позволяет роботу наплавлять сложные детали, вращая их под оптимальным углом.

Материалы для WAAM

Материал Применение Производительность
Алюминий (Al) Корпуса роботов, кронштейны ~3 т/день
Железо (Fe) Рамы, силовые элементы ~1 т/день

Источник проволоки: Прокатный стан (волочильная линия)

Производительность

Параметр Значение
Скорость наплавки 1-3 кг/час на ячейку
Количество WAAM-ячеек 3 (на завод)
Работа 20 часов/сутки
ИТОГО ~20-60 кг/день на ячейку
На 3 ячейки ~60-180 кг/день

Почему не больше? - WAAM медленнее литья, но позволяет делать сложные формы без оснастки - Используется для деталей, которые нельзя отлить (полые корпуса, сложные геометрии)

Постобработка: абразивная шлифовка

После WAAM деталь имеет шероховатую поверхность. Финишная обработка выполняется шлифовкой (не фрезеровкой).

Шлифовальная ячейка

Параметр Значение
Тип Робот Кентавр-М с абразивной головкой
Количество осей 6 (манипулятор) + поворотный стол
Мощность привода 3-5 кВт
Скорость вращения 3000-6000 об/мин
Инструмент Абразивные круги Al₂O₃ (корунд, местное)

Преимущества перед CNC: - Нет импортного высокооборотного шпинделя (20,000 об/мин) - Абразив Al₂O₃ производится из реголита (неограничен) - Тот же робот Кентавр-М, просто другой инструмент - Сухая обработка в вакууме (нет СОЖ)

Точность обработки: ±0.05 мм (достаточно для корпусов и рам)

Типичные детали, производимые WAAM

Деталь Материал Масса Время печати Применение
Корпус Краб-М Al 50 кг 20 часов Робот Краб-М
Рама Кентавр-М Al 30 кг 12 часов Робот Кентавр-М
Кронштейны МНЛЗ Fe 20 кг 8 часов МНЛЗ
Оснастка для сборки Fe 10 кг 5 часов Стапели, зажимы

Преимущества WAAM

Преимущество Описание
Нет оснастки Не нужны формы, штампы, литейные модели
Быстрое прототипирование Новая деталь за 1 день (литьё — недели)
Экономия материала Используется только нужный металл (литьё даёт 30-50% отходов)
Сложная геометрия Полости, внутренние каналы, органические формы

Ограничения WAAM

Ограничение Решение
Низкая скорость Используем для сложных деталей, простые — литьём
Шероховатость Абразивная шлифовка (Al₂O₃)
Износ абразива Al₂O₃ корунд — местное производство, замена каждые 1-2 дня

Энергопотребление

Компонент Мощность Количество ИТОГО
WAAM-ячейка (робот + горелка) 10 кВт 3 30 кВт
Шлифовальная ячейка (робот + головка) 5 кВт 2 10 кВт
Вытяжная вентиляция 5 кВт 1 5 кВт
Автоматика 5 кВт — 5 кВт
ИТОГО ~50 кВт

Обслуживание

Операция Периодичность Исполнитель
Замена горелки 1 месяц Кентавр-М
Замена абразивного круга 1-2 дня Кентавр-М
Очистка поворотного стола Ежедневно Краб-М
Калибровка робота Еженедельно Автоматика

Контроль качества

Параметр Контроль Норма Действие при отклонении
Пористость In-process мониторинг (ток дуги, камеры WAAM) <2% Коррекция параметров
Размеры Измерительный щуп (touch probe) ±0.1 мм Доработка шлифовкой
Трещины Визуальный (камеры Кентавра-М) Нет видимых дефектов Отбраковка
Твёрдость Механический твердомер По спецификации Термообработка

См. также