美国橡树岭国家实验室（ORNL）和波音公司（Boeing）利用线弧增材制造（WAAM）技术制造了一个钢制冲压成型模具（SFD）。该模具高约 1.8 米（6 英尺）、宽约 1.2 米（4 英尺），重近 2 吨，打印耗时八周。波音将把它用于为美国国家航空航天局（NASA）的 "高速复合材料飞机制造"（HiCAM）项目开展的工作。该制造项目还旨在检验金属增材制造（金属 AM）能否生产用于热塑性复合材料零部件生产的大型成型模具。
SFD 是一种用于切割或成型材料的冲压机。这类模具通常通过机加工、铸造、锻造和钻孔等方式制造。该项目评估了在 ORNL 的美国能源部（DOE）制造示范设施（MDF）中打印一台带温控的 SFD 模具，能否降低成本、缩短交付周期并简化制造流程。波音引入了一个由美国大小企业组成的协作网络来开展这项工作。
"波音希望探索使用 [WAAM] 的可能性，"ORNL 在 MDF 的机器人工程师威廉・卡特（William Carter）表示，"他们与我们合作，评估了制造该模具过程中的各项问题。""NASA 及其行业合作伙伴正致力于提高复合材料飞机的生产效率，以满足日益增长的航空出行需求，并减轻飞机重量 —— 减重可提升燃油效率，从而降低航空公司运营成本，"NASA HiCAM 项目经理理查德・扬（Richard Young）表示，"这对保持美国在商用飞机行业的竞争优势至关重要。"
在 Arc-1 系统上打印双金属模具
热塑性飞机舱门是通过在两套 SFD 金属模具之间压制加热的塑料板材成型的。ORNL 提供了 WAAM 加工工艺和残余应力模拟方面的专业知识。该部件在其 Arc-1 系统上打印完成，该系统使用机械臂和焊枪熔化焊丝并逐层沉积金属。据 ORNL 介绍，Arc-1 与大多数 WAAM 系统的不同之处在于，它可以同时送入多根焊丝，并可使用多种金属进行打印。
"多材料 WAAM 能够实现全新的设计，将精细调校的机械性能与时间和成本节省相结合，"ORNL 高级机器人工程师安德烈・尼奇（Andrzej Nycz）表示。该模具结合了两种合金。低碳钢构成结构区域，提供强度和刚度；不锈钢形成工作表面，用于耐腐蚀、尺寸稳定性和持久的工作界面。此类传统模具通过长而直的钻孔来输送加热和冷却流体。打印工艺使团队得以构建随模具轮廓弯曲的内置流道，从而使模具加热和冷却更高效，使用性能更佳。
控制变形与模具精加工
翘曲变形是打印过程中的主要障碍。随着沉积金属冷却，残余应力使结构发生扭曲并偏离尺寸。为应对这一问题，团队在模具背面安装了临时加强肋，并利用模拟调整设计，使打印过程能够补偿变形。经过 32 轮模拟迭代，最终打印成品的形状与目标形状偏差仅在几毫米以内。随后，模具被送往林肯电气（Lincoln Electric）位于密歇根州的子公司贝克工业公司（Baker Industries），在那里进行退火以消除内应力。支撑肋被移除，贝克工业完成了满足波音要求所需的其余制造步骤。ORNL 和林肯电气根据一项合作研发协议（CRADA）共同开发了该模具背后的 WAAM 技术。
（配图说明：3D 打印金属模具，制造过程中用于保持形状的临时支撑肋尚未拆除。图片来源：ORNL，美国能源部。）
超越飞机工装的应用
最终模具并非所有部件都是打印而成，但 ORNL 表示，该项目中开发的方法可应用于类似的模具类型。该实验室将这一成果作为证据，证明大型复杂模具可以比传统方法更快、更高效地打印出来。公告中未提供将打印模具与机加工或铸造模具进行对比的交付周期或成本数据。"我们将此作为一个测试案例，"ORNL 复合材料创新团队负责人艾哈迈德・阿拉比・哈森（Ahmed Arabi Hassen）表示，"它的成功意味着这项技术可用于为美国工业的其他领域（如能源和汽车行业）制造大型热塑性结构件。"
线弧打印进入航空航天复材工装领域
ORNL 与波音的这款模具将 WAAM 应用于复合材料飞机零部件的生产工装。它在一台打印件中同时实现了双合金组合和内置加热冷却流道，目标是在成本与交付周期上优于传统工装制造路线。在一项联合资助的中试项目中，意大利航空航天工装专业企业 Refraschini 与机器人增材制造公司 Caracol 共同测试了 Caracol 的 Vipra XP 系统：该系统沉积 316L 不锈钢，在 30 小时内制造了一件重 110 千克、尺寸为 1000×550×85 毫米的模具，随后进行 CNC 精加工。合作方报告称，与传统方法制造的同类模具相比，重量减轻了 50%。与 ORNL 的模具类似，该中试项目也采用线弧沉积来替代航空航天复合材料工装的传统生产方式。不过，该模具仅使用单一合金，规模小得多，且未报道集成热流道。
澳大利亚金属增材制造公司 AML3D 已加入一个为期三年的研发项目，与一家未披露的航空航天主承包商合作，对其名为 WAM 的线弧工艺进行航空航天工装生产资质认证。该公司表示，该行业（的工装交付周期）可长达 24 个月。该项目瞄准的正是 ORNL 模具同样希望解决的交付周期问题，但其重点在于工艺资质认证，目前尚未报道具体的模具或复材成型应用。在这三项工作中，ORNL 的模具是唯一一款将近 2 吨的生产级模具与多合金沉积及随形热控相结合的成果。
来源：中国3D打印网编译文章！
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