八周打印两吨钢模具！ORNL电弧增材再创航空航天制造纪录

橡树岭国家实验室（ORNL）和波音公司合作，用电弧增材制造技术（WAAM）完成了近两吨重钢制冲压成型模具的3D打印，整个打印过程耗时八周。
这套模具高6英尺、宽4英尺，约合1.8米乘1.2米，用于热塑性飞机零部件的冲压成型。

冲压成型模具（SFD）是一种用来裁切或成型材料的冲压设备，热塑性飞机舱门就是在两套SFD金属模具之间，将加热后的塑料板材压制而成。
可以把模具想象成三明治的两片面包，而一片热塑性塑料板材就是中间的夹心。

这款模具是为支持美国国家航空航天局（NASA）的「高速率复合材料飞机制造」（HiCAM）项目而制造的，该项目旨在提高复合材料飞机的生产效率。
NASA HiCAM项目经理理查德·扬表示，「NASA和它的行业伙伴正努力提升复合材料飞机的生产率，以满足日益增长的航空出行需求，并减轻飞机重量。
重量轻了，燃油效率会提升，运营商的成本也能降下来。
这对保持美国在商用飞机行业的竞争优势来说非常关键。」

传统上，这类模具依靠机加工、铸造、锻造和钻孔来制造，而这个项目想评估的是，在ORNL的能源部制造示范设施（MDF）上打印热控SFD模具，能不能降低成本、缩短交付周期并且简化制造流程。
波音还拉了一批美国大小企业一起参与这项工作。

本次打印是在ORNL的Arc-1系统上完成的。
该系统用机械臂和焊炬熔化金属丝，然后逐层沉积金属。
与大多数WAAM系统不同的是，Arc-1可以同时送入多根金属丝，并且用多种金属来打印。
这提升了制造灵活性，拓宽了可打印几何形状的范围，并允许多种金属以更高的设计自由度组合，实现定制化性能。

ORNL在MDF的机器人工程师威廉·卡特说，「波音希望探索使用WAAM的可能性。
他们和我们合作，一起评估了制造这个模具过程中的各种问题。」
ORNL高级机器人工程师安杰伊·尼茨补充说，「多材料WAAM能实现全新设计，把精细调校过的机械性能和成本、时间上的节省结合在一起。」

这套模具使用了两种合金：低碳钢构成结构区域，负责强度和刚度；不锈钢构成工作表面，负责耐腐蚀性、尺寸稳定性和耐用的工作界面。
传统模具通过长的直钻孔道来输送加热和冷却流体，而打印工艺让团队能够构建出随模具轮廓弯曲的内部流道，模具加热和冷却时更高效，用起来性能也更好。

翘曲变形是打印过程中的主要障碍。
沉积的金属冷却时，残余应力会让结构扭曲，偏离设计尺寸。
为应对这个问题，团队在模具背面安装了临时支撑肋，再用仿真调整设计，让打印过程自己补偿变形。
经过32轮计算机仿真迭代，最终成品模具与目标形状的偏差控制在几毫米以内。

打印完成后，模具被送到美国焊接设备制造商林肯电气旗下、位于密歇根州的制造服务企业Baker Industries进行退火处理，以消除内部应力。
随后拆除了支撑肋，Baker Industries又完成了满足波音规格要求的其余制造步骤。
ORNL与林肯电气根据合作研发协议共同开展了这个项目。

Baker Industries高级项目经理埃文·巴特凯维奇表示，「Baker Industries非常重视与ORNL和波音公司的紧密合作关系。」
波音技术研究员迈克尔·马特拉克表示，「美国企业必须持续创新、不断突破技术边界，才能保持我们在全球市场中的竞争优势。」

并不是最终模具的每一个部件都是打印成形的，但ORNL表示，项目期间开发的方法可以应用到其他类似的模具类型上。
实验室把这次成果当作证据，说明大型复杂模具可以比传统方法更快速、更高效地打印出来。
公告中没有给出打印模具和机加工或铸造模具在交付周期、成本方面的对比数据。

ORNL复合材料创新团队负责人艾哈迈德·阿拉比·哈森说，「我们把它当作测试案例。
该项目的成功说明，这项技术可以用来为美国工业的其他领域，比如能源和汽车行业，制造大型热塑性结构件。」

电弧打印已经进入航空航天复合材料模具领域。
在一项共同资助的试点项目里，意大利航空航天模具专业企业Eligio Re Fraschini和机器人增材制造公司Caracol，在用于碳纤维铺层的翼梁模具上测试了WAAM。
Caracol的Vipra XP系统沉积316L不锈钢，30小时构建了一个110公斤、尺寸为1000×550×85毫米的模具，随后做了CNC精加工。
合作方报告说，和传统制造的同类模具相比，重量减轻了50%。

这个试点和ORNL的模具很像，都是用电弧沉积去替代传统航空航天复合材料模具制造，不过它由单一合金制成，规模小得多，也没有集成热流道的相关报道。

澳大利亚金属增材制造公司AML3D也在进行一个三年的研发项目，合作方是一家没有公开身份的航空航天主承包商，目标是把它的电弧工艺WAM用到航空航天模具生产上。
AML3D说，这个行业的模具交付周期最长能到24个月，项目正好针对ORNL模具想解决的交付周期问题。
不过它的重点是工艺认证，目前还没有具体模具或复合材料成型应用的报道。

在这三项工作中，ORNL的模具是唯一一个把多合金沉积和随形热控制结合在近两吨生产模具里的案例。