Alors que la fabrication additive par arc électrique (WAAM) continue de se développer dans les applications industrielles, une question revient régulièrement de la part des ingénieurs et des concepteurs : "Comment dois-je concevoir des pièces spécifiquement pour la WAAM ?"
La conception pour la fabrication additive (DfAM) est déjà une discipline en pleine évolution, mais le WAAM ajoute sa propre couche de complexité et d'opportunités. Contrairement aux systèmes à lit de poudre, le WAAM est capable de produire des composants métalliques structurels de grande taille avec d'excellentes propriétés mécaniques et une réduction des déchets de matériaux. Mais cette capacité s'accompagne d'un nouvel ensemble de principes de conception qui doivent être pris en compte dès le départ.
Dans cet article, nous allons explorer les concepts de base du DfAM pour le WAAM, y compris les considérations géométriques, le comportement du dépôt et les conseils tirés d'applications industrielles réelles. Que vous imprimiez une bride de récipient sous pression, un support structurel ou une pièce de réparation unique, ces informations vous aideront à tirer le meilleur parti du WAAM.
Comprendre le processus WAAM : Qu'est-ce qui le différencie ?
Le WAAM est une forme de dépôt par énergie dirigée (DED) qui utilise un arc électrique pour faire fondre un fil métallique et construire des pièces couche par couche à l'aide d'un système robotique à plusieurs axes. Ce système permet de produire des pièces métalliques de grande taille, résistantes et complexes. des pièces métalliques de grande taille, résistantes et complexes Cette technique permet de produire des pièces métalliques complexes, solides et de grande taille, mais le comportement thermique, la résolution des couches et le contrôle des mouvements sont très différents de ceux de la fusion sur lit de poudre (comme la SLM ou l'EBM).
Le WAAM utilise généralement une largeur de cordon entre 2 mm et 10 mm, en fonction de la buse, du matériau et des réglages. L'épaisseur des parois, les angles de surplomb et les temps de refroidissement doivent être soigneusement étudiés pour éviter les déformations, les affaissements ou les fusions incomplètes. Mais lorsqu'il est conçu correctement, le WAAM peut imprimer des pièces proches de la forme nette, nécessitant un support minimal et suffisamment résistantes pour des applications structurelles ou sous pression.
Cela signifie que le DfAM pour le WAAM est moins lié à des structures de treillis délicates qu'à une géométrie fonctionnelle robuste. une géométrie robuste et fonctionnelle qui soit thermiquement stable et facile à usiner par la suite.
Principaux éléments à prendre en compte pour la réussite du projet WAAM
Concevoir en tenant compte du WAAM signifie comprendre les réalités du mouvement robotique, du comportement du soudage et du flux de chaleur. Voici les facteurs les plus importants à prendre en compte :
1. Épaisseur de la paroi et empilement des cordons
Le WAAM est bien adapté aux les sections pleines et creuses dont l'épaisseur des parois est supérieure à ~5 mm. Les caractéristiques très fines sont difficiles à maintenir de manière cohérente en raison de la largeur du cordon de soudure et de la dissipation thermique. En règle générale :
- Pour de meilleurs résultats, les murs doivent avoir une épaisseur comprise entre 5 et 40 mm.
- Éviter les surplombs inutiles ou les arêtes de couteau
2. Orientation et stratégie de construction
L'orientation de la pièce a un impact sur l'imprimabilité, l'accumulation de chaleur et les exigences en matière de support. Concevez votre pièce de manière à ce qu'elle puisse être imprimée dans une position qui minimise les caractéristiques non soutenues. Par exemple :
- Les structures verticales à section constante sont plus faciles à imprimer
- Éviter les surplombs horizontaux importants de plus de 30-45° sans soutien.
- Décomposer les grandes parties en plusieurs segments si nécessaire
Le logiciel MetalXL de MX3D permet une planification intelligente des trajectoires et une optimisation de la stratégie d'impression, mais la conception de base reste importante.
3. Allocation d'usinage
Les pièces WAAM sont généralement soumises à un post-traitement afin d'obtenir des tolérances ou une finition de surface étroites. Veillez à ce que votre conception prévoie des surépaisseurs d'usinage dans les zones qui en ont besoin :
- Planéité
- Trous ou alésages
- Surfaces d'étanchéité
- Caractéristiques filetées
En fonction du matériau et de la géométrie de la pièce, prévoyez un excédent de matière de 1 à 3 mm dans les zones d'usinage.
4. Contraintes et déformations thermiques
Le WAAM déposant le métal en fusion par couches, les grandes pièces peuvent accumuler une chaleur importante. Les conceptions doivent tenir compte des éléments suivants distorsion thermique Les conceptions doivent tenir compte de la déformation thermique, en particulier pour les surfaces longues et plates ou les parois verticales minces. Pour réduire les contraintes résiduelles :
- Ajouter des nervures ou des raidisseurs aux zones minces
- Éviter les changements brusques de section
- Tenir compte de la symétrie dans les grandes structures
Quels types de géométrie conviennent le mieux au WAAM ?
La force du WAAM réside dans sa capacité à produire de grandes géométries porteuses qui seraient coûteuses ou peu pratiques à couler, forger ou usiner. Les géométries idéales sont les suivantes
- Cylindres ou cônes à parois épaisses (herse, buses, brides, rehausses)
- Profilés en caisson et poutres (par exemple, cadres maritimes, consoles)
- Structures courbes ou de forme libre qui suivent des formes organiques
- Pièces de rechange qui doivent reproduire la géométrie existante sans outillage
Qu'est-ce qui n'est pas idéal ? Les détails très fins, les canaux internes ou les sections extrêmement fines conviennent mieux à la fusion sur lit de poudre.
Si la pièce doit être soudée ou assemblée ultérieurement, il convient d'envisager d'intégrer des joints, des congés ou des chanfreins directement dans la conception afin de réduire les étapes de fabrication supplémentaires.
Exemples de conceptions de pièces optimisées par WAAM
Chez MX3D, nous avons aidé nos clients à concevoir et à imprimer une grande variété de pièces optimisées pour le WAAM, notamment :
- Roues avec aubes épaisses et symétrie de rotation optimisée
- Brides sous-marines avec faces d'étanchéité usinées intégrées
- Supports maritimes avec des découpes légères et de grandes zones de montage plates
- Les supports offshore sont conçus avec des passages de câbles et une épaisseur de paroi uniforme
Chacune de ces pièces a bénéficié d'un processus de conception qui a pris en compte dès le départ la portée du robot, le comportement du bain de soudure et les opérations de finition.
Les erreurs de conception à éviter dans le WAAM
Bien que le WAAM soit puissant, ignorer ses principes fondamentaux peut conduire à des impressions ratées ou à des retouches inutiles. Les pièges les plus courants en matière de conception sont les suivants
- Caractéristiques en surplomb qui ne peuvent pas être soutenus pendant le dépôt
- Angles internes aigus qui provoquent une accumulation de chaleur et des fissures
- Géométries complexes avec des zones de post-traitement inaccessibles
- Manque de zones d'usinage Le manque de zones d'usinage, qui rend difficile l'atteinte des tolérances visées
Ces problèmes peuvent souvent être détectés rapidement grâce à la révision de la conception ou à la simulation - des services que MX3D fournit régulièrement pour aider les clients à passer du concept aux pièces prêtes à être imprimées.
Conclusion : La conception est la clé du succès des WAAM
La fabrication additive par arc électrique offre un potentiel incroyable pour la construction à l'échelle de pièces métalliques de qualité industrielle. Mais comme tout processus de fabrication, la fabrication additive par arc électrique fonctionne mieux lorsque la conception soutient ses points forts et évite ses limites.
En se concentrant sur des géométries robustes, des orientations faciles à imprimer et des surfaces prêtes à l'usinage, les ingénieurs peuvent exploiter la véritable valeur du WAAM : réduction des délais, diminution des déchets et plus grande liberté dans la manière de produire des composants de grande taille.
Que vous adaptiez une pièce existante pour le WAAM ou que vous conceviez quelque chose de nouveau à partir de zéro, MX3D est là pour vous aider. Depuis les vérifications de faisabilité jusqu'à l'assistance DfAM complète et l'impression, notre équipe peut vous guider à chaque étape du processus.
