Additief-subtractieve fabricage van onderdelen geproduceerd met WAAM

Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) is een AM-techniek waarbij een elektrische boog als warmtebron wordt gebruikt om een metalen lasdraad te smelten en een component laag voor laag op te bouwen. Met WAAM kunnen middelgrote tot grote metalen onderdelen met een matige geometrische complexiteit op een materiaal- en kostenefficiënte manier worden geproduceerd. De WAAM-onderdelen worden echter gekenmerkt door een lage oppervlaktekwaliteit en maatnauwkeurigheid, wat leidt tot de noodzaak van verdere nabewerking met behulp van conventionele subtractieve technieken (zoals frezen, draaien, slijpen, enz.). Om een onderdeel te produceren dat aan de eisen voldoet, moet het hele productieproces in overweging worden genomen, vanaf het ontwerp van het werkstuk voor WAAM tot het uiteindelijke onderdeel. Dit proefschrift richt zich op het onderzoek van de volledige op WAAM gebaseerde‚ Additive-Subtractive Manufacturing’ (ASM) procesketen.

Eerst werden een standaard halfautomaat stroombron -Gas Metal Arc Welding (GMAW)- en een standaard industriële lasrobotarm aangepast voor de productie van metalen onderdelen met behulp van WAAM. Hiervoor werd de robotcel geïntegreerd in CAM-software en werden empirische modellen voor voorspelling van de lasnaadgeometrie -afhankelijk van de lasparameters- ontwikkeld voor conventionele GMAW- en CMT-processen. Conventionele GMAW- en CMT-processen werden vergeleken, waaruit bleek dat meerdere factoren de toepasbaarheid en productiviteit van het GMAW-proces bepalen.

Vervolgens werd de impact van de Heat Input op de microstructuur en de mechanische eigenschappen -zoals hardheid, treksterkte en Charpy-kerftaaiheid- van massieve WAAM-onderdelen bepaald. De eigenschappen van het WAAM-materiaal werden vergeleken met de eigenschappen van zowel het toevoegmateriaal als van warmgewalst constructiestaal, waaruit bleek dat de 3Si1-draad geschikt is om functionele componenten te produceren -met behulp van WAAM-, die statische en schokbelastingen kunnen opvangen.

Ten derde werden de benodigde processen en hun volgorde binnen de ASM-procesketen experimenteel onderzocht. De optimale ASM-procesketen voor hybride WAAM-onderdelen werd bepaald en omvat de voorbereiding van de referentieoppervlakken en 3D-scanning als tussenprocessen. De noodzaak van een warmtebehandeling na het lassen hangt af van de precisie van het onderdeel en de toepassing ervan.

Ten vierde werd de hoeveelheid te verwijderen overdikte bepaald. De effectieve breedte van een geprint muurtje werd experimenteel bepaald afhankelijk van de WAAM-procesparameters. Door gebruik te maken van empirische modellen voor de breedte van de lasnaad en de effectieve breedte van het geprinte muurtje, werd een minimale hoeveelheid geschat om het aanvankelijk golvend WAAM-oppervlak te verwijderen. Aanvullende tolerantie werd experimenteel onderzocht voor dunwandige en massieve WAAM-onderdelen, rekening houdend met de impact van thermisch geïnduceerde vervormingen en met de stap voor het verwijderen van het substraat op de dimensionele en geometrische nauwkeurigheid van de componenten. Er werden aanbevelingen gedaan voor de toewijzing van de benodigde overdikte voor de subtractieve nabewerking.

Ten vijfde werd de bewerkbaarheid van dunwandige WAAM-componenten onderzocht. De impact van de WAAM-procesparameters op de kenmerken van het geprinte onderdeel (d.w.z. hardheid, afwijking op de vlakheid en totale wanddikte) werd geanalyseerd. Verder werd de impact bepaald van de karakteristieken van het geprinte onderdeel samen met de freesparameters op de uiteindelijke oppervlaktekwaliteit verkregen na nabewerking.

Het dynamische gedrag van het WAAM-onderdeel tijdens het frezen, afhankelijk van WAAM- en freesparameters, werd onderzocht. De soorten trillingen die zouden kunnen onstaan als gevolg van specifieke freesparameters, afmetingen en geometrie van het gereedschap en de natuurlijke frequentie werden voorspeld en vergeleken met de verplaatsingssignalen in het tijdsdomein en oppervlakteruwheidsprofielen. Er werd een voorbeeld gegeven van optimalisatie van de snijparameters om trillingen tijdens het frezen van WAAM-onderdelen te voorkomen en de uiteindelijke oppervlaktekwaliteit te verbeteren.

Ten slotte werden de verkregen onderzoeksresultaten toegepast om een aantal industriële case study-onderdelen te produceren met behulp van de op WAAM gebaseerde ASM-procesketen. De valorisatieactiviteiten die tijdens dit proefschrift zijn uitgevoerd, zijn beschreven. Nauwe samenwerking met de industriële bedrijven bracht de belangrijkste belemmeringen aan het licht voor de industriële toepassing van de op WAAM gebaseerde ASM-procesketen. De toekomstige valorisatiestrategie is gericht op bilateraal contractonderzoek als de meest veelbelovende strategie voor industriële implementatie van de opgedane kennis en voor toekomstige technologieontwikkeling.