北京理工大學(xué)劉長(zhǎng)猛教授團(tuán)隊(duì)：送絲方向?qū)o支撐線弧增材制造質(zhì)量和精度的影響 | AMF論文推薦

引用論文

Hanwen Xu, Hao Mao, Chan Wang, Jiayuan Cui, Jiawei Xie, Fuyou Bai, Changmeng Liu . The Effect of Wire-Feeding Direction on Quality and Accuracy of Unsupported Wire Arc Additive Manufacturing . Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 3, 2025, 200214.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200214.

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1研究背景及目的

在電弧熔絲增材制造（WAAM）的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，無支撐桿的制造質(zhì)量和精度尚未開展大量系統(tǒng)的研究，嚴(yán)重限制了增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)質(zhì)量及工程應(yīng)用。本研究旨在通過討論絲材相對(duì)熔池的送絲位置，提高無支撐桿的制造質(zhì)量和精度，實(shí)現(xiàn)WAAM大規(guī)模點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高精度低成本制造 。

2論文亮點(diǎn)

（1）基于課題組特色無支撐制造工藝方法完成樣件制造，依據(jù)懸空凝固熔池理論調(diào)整工藝參數(shù)確保制造穩(wěn)定性；

（2）將360°圓周方向分為12組，更為細(xì)致的探究了送絲方向?qū)鹊挠绊懀@在過去并沒有被研究過；

（3）針對(duì)金屬絲材進(jìn)入熔池對(duì)穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

3試驗(yàn)方法

首先，打開熱源和熱線輔助系統(tǒng)，輸入所需的工藝參數(shù)。然后，將機(jī)床和基板調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行加工。在制造過程中，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，以避免明顯的熔池振蕩。將360°圓周方向分為12組，共制造了12組樣品。每組由五個(gè)使用相同工藝參數(shù)制造的重復(fù)樣品組成，隨后進(jìn)行3D掃描以表征試樣的加工精度 。

4結(jié)果

（1）在熔池高溫區(qū)送入焊絲所制造的試樣，其體積與精度明顯大于在熔池低溫區(qū)送絲的試樣；

（2）在極端情況下，沿熔池不同方向輸送焊絲的無支撐棒的體積差可達(dá)120%。飛濺問題對(duì)材料利用效率和尺寸精度都有顯著影響 ；

（3）保持較長(zhǎng)的弧長(zhǎng)（約5.9mm）可以提高制造精度和加工質(zhì)量 。

Fig. 1. Schematic diagram of the force analysis on the metal melt during WAAM.

Fig. 2. (a) Schematic diagram of positive contact transition treatment in high-temperature area of WAAM; (b) Schematic diagram of back contact transition treatment in low-temperature area of WAAM.

Fig. 3. Transition process in arc additive manufacturing process captured by industrial camera. (a1)–(a3) Transition of wire feeding in low-temperature areas; (b1) –(b3) Transition of wire feeding in high-temperature areas.

5結(jié)論

(1) 將金屬絲送入高溫區(qū)可以緩解溫度梯度變化對(duì)制造精度的影響，并在減少熔池振蕩和保持穩(wěn)定的加工狀態(tài)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用 。

(2) 在一定范圍內(nèi)，加工時(shí)保持較長(zhǎng)的電弧，可以增強(qiáng)散熱，減輕熱量積聚對(duì)加工的影響，從而提高WAAM組件的精度和質(zhì)量 。

(3) 當(dāng)焊絲被引入熔池的高溫區(qū)時(shí)，具有更好潤(rùn)濕性，促進(jìn)了更平穩(wěn)的過渡，對(duì)提升精度有積極作用 。

6前景與應(yīng)用

本論文詳細(xì)討論了送絲方向?qū)o支撐點(diǎn)陣桿制造精度和質(zhì)量的影響，該研究對(duì)大尺寸雙鋼板點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的低成本高精度制造具有積極的促進(jìn)作用。此類雙鋼板點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于海洋浮臺(tái)、抗爆裝甲、高強(qiáng)度建筑等領(lǐng)域，具有廣闊應(yīng)用前景 。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者介紹

劉長(zhǎng)猛（通信作者），北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院長(zhǎng)聘教授、博導(dǎo)、院長(zhǎng)助理。長(zhǎng)期開展多弧并行增材制造控形控性機(jī)理與方法、控制系統(tǒng)與智能裝備研究。主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（首席科學(xué)家）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（B類）/面上/青年項(xiàng)目、國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目等10 余項(xiàng)。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文106 篇，其中以第一/通訊作者發(fā)表SCI 論文56 篇。第一發(fā)明人授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利21 項(xiàng)。成果應(yīng)用于兵器、航天、航空、船舶等國(guó)防領(lǐng)域。研究成果得到全國(guó)新聞聯(lián)播、人民日?qǐng)?bào)、新華社、中央電視臺(tái)等報(bào)道。擔(dān)任國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）“增材制造與激光制造”領(lǐng)域規(guī)劃青年專家、中國(guó)機(jī)電一體化協(xié)會(huì)理事等。

近年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] FU R, DUAN S, MA Y, et al. Dynamic mechanical properties of nanoparticle-enhanced aluminum alloys fabricated by arc-directed energy deposition [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 952: 169997.

[2] XU H, LIU C, MAO H, et al. Strengthening nodes to obtain high-strength pyramid lattice structure by using wire arc additive manufacturing method [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2024, 117: 125-33.

[3] XU T, JING C, MAO H, et al. Parallel multi arc directed energy deposition: New way to achieve efficient manufacturing of large-size lattice sandwich structure [J]. Additive Manufacturing, 2024, 90: 104322.

作 者：劉長(zhǎng)猛

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對(duì)： 金 程

審 核： 張 彤

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