干货丨一文了解电弧增材制造（WAAM）技术
经过近一个世纪的发展，增材制造从依据粘结原理开发的叠层实体成形技术逐渐发展到以紫外光为热源的光固化成形技术，再发展到现在以电弧、电子束、激光等高能束为热源的快速熔化成形制造技术，实现了金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料产品的快速制造。1902年，当美国人Carlo Baese 提出光敏聚合物作为制造材料的原理的时候，他怎么也不会想到“增材”思潮将会在21世纪的今天掀起一场世界范围内的制造业革命。1968年，Charles Hull 成功将数字资料三维模型化，推出了光固化方法并在同一年创立了世界上第一家3D打印设备公司。1982年，j.e.Blanther在其专利中第一次提出了分层制造的理念，此后的三十年间，“熔融沉积”“选择性激光烧结“立体喷墨打印”“金属激光选区熔化”等新兴增材制造工艺迅猛发展，为传统工业制造打开了新局面。2014年4月，《经济学人》的一篇专题报道将增材制造技术推上风口浪尖。同年，美国总统奥巴马将“增材制造创新中心”确定为首个制造业创新中心，并在美国《时代》周刊上将3D打印技术列为“美国十大增长最快的工业”，随后，德国、英国、中国、日本也将增材制造技术写进国家发展战略中。
电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）是基于熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊（PA）等焊接技术，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术，具有沉积效率高；丝材利用率高；整体制造周期短、成本低；对零件尺寸限制少；易于修复零件等优点，还具有原位复合制造以及成形大尺寸零件的能力。较传统的铸造、锻造技术和其它增材制造技术具有一定先进性，与铸造、锻造工艺相比，它无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应快，特别适合于小批量、多品种产品的制造。
早在1925年，美国的Baker等人首次以电弧为热源通过金属熔滴逐层沉积的方式制造出“3D打印”金属材质的装饰物品。20世纪70年代，德国学者首次提出了以金属焊丝为原料，采用埋弧焊接的方式制造大尺寸金属零件的概念。Ujiie等人以SAW、TIG等为热源采用不同种焊丝成形了外壁为梯度材料的压力容器。1983年，德国Kussmaul等人采用埋弧焊接的方式逐层堆积，制造了大尺寸圆柱形厚壁不锈钢金属容器，总重量达到79t，沉积速度达到80kg/h，且成形材料具有较高的抗拉强度、屈服强度和韧性。20世纪90年代，英国推出了两项重大研究，加速了WAAM技术的发展。一项是Ribeiro等人详细描述了“基于金属材料快速成形技术”的工艺过程；另一项是Spencer等人将GMAW的焊枪固定在六轴机器人上，再进行零件的快速制造。此外，Zhang等人也发表了相似的工作，并提供了制造立壁和回转体零件的工艺方法。1993年，Prinz和Weiss等人在CNC铣床上安装焊接设备，称之为成形沉积制造设备（SMD），并申请了相关专利。1994～1999年，英国克莱菲尔德大学（CranfieldUniversity）焊接工程研究中心（WeldingEngineeringResearchCentre）为英国飞机发动机公司——劳斯莱斯（Roll-Royce）——开发了成形沉积制造技术（SMD）以替代传统的铸造技术，同时对该技术成形的钛合金、高温合金、铝合金等材料的性能进行了研究与评估。2007年，克莱菲尔德大学开展了WAAM技术的研究工作，并将该技术应用于飞机机身结构件的快速制造。 Cranfield University的工作率先将WAAM产品应用到飞机机身的主承力结构件，为电弧增材行业带来了新的曙光——电弧增材可能将革新大型构件的高效率、低成本制造技术。
国内的电弧增材技术也得到了快速发展。中国航空工业集团公司（AVIC）利用电弧增材制造技术成功制造出了一款大型复杂结构的航空发动机叶盘。这款叶盘由多个部件组成，采用电弧增材制造技术可以实现一次成型，大大提高了生产效率和零部件质量。中国科学院金属研究所利用电弧增材制造技术成功制造出了一款高性能钛合金零件。这款零件采用电弧增材制造技术可以实现一次成型，大大提高了生产效率和零部件质量，同时也为钛合金零件的大规模应用提供了技术支持。
总体来说，WAAM技术在国外的发展相对成熟，欧洲空中客车（Airbus）、庞巴迪（Bombardier）、 英国宇航系统（BAEsystem）以及洛克希德•马丁英国公司（LockheedMartin-UK）、欧洲导弹生产商（MBDA）和法国航天企业Astrium等，均利用WAAM技术实现了钛合金以及高强钢材料大型结构件的直接制造，大大缩短了大型结构件的研制周期。
1、材料多样化：WAAM技术目前主要应用于钛合金、铝合金等金属材料的制造，未来将会扩展到更多的材料，如高温合金、镍基合金、钢等。
2、工艺优化：WAAM技术的工艺参数对成品质量有很大影响，未来将会通过工艺优化来提高成品质量和生产效率。
3、自动化生产：WAAM技术的自动化程度还有待提高，未来将会通过机器人、智能化控制等技术来实现自动化生产。
4、大型化生产：WAAM技术的制造范围目前还比较有限，未来将会通过大型化设备来实现更大规模的生产。
5、应用领域拓展：WAAM技术已经在航空航天、汽车、船舶、能源等领域得到广泛应用，未来将会拓展到更多的领域，如医疗、建筑等。
