Wire Arc Additive Manufacturing WAAM

Uno sguardo al futuro: tecnologia WAAM

Università degli Studi di Napoli Federico II

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Classe di laurea L 09

Elaborato di laurea in tecnologia WAAM

Relatore: Prof. Antonello Astarita

Candidato: Giovanni Celentano

N47004233

Anno accademico 2020/2021 1

Indice

• 1. Tecnologia WAAM: caratteristiche del processo .................................................................................. 3
• 1.1. Introduzione ...................................................................................................................................................... 3
• 1.2. Tecnologie additive ............................................................................................................................................ 3
• 1.3. Metodi di saldatura in WAAM ............................................................................................................................ 4
• 1.4. Fasi del processo ................................................................................................................................................. 6
• 1.5. Apparecchiature WAAM ..................................................................................................................................... 7
• 1.6. Materiali utilizzati nel processo WAAM ............................................................................................................. 8
• 1.7. Parametri di processo ....................................................................................................................................... 10
• 1.8. Difetti .............................................................................................................................................................. 11
• 1.9. Sfide per il futuro ............................................................................................................................................. 14
• 1.10. Metodi per migliorare la qualità dei componenti .............................................................................................. 15
• 2. Fabbricazione di parti con strutture a strapiombo ............................................................................. 17
• 2.1. Introduzione .................................................................................................................................................... 17
• 2.2. Trasferimento di metalli in WAAM GMAW multidirezionale ............................................................................ 18
• 2.3. Setup dell’esperimento ..................................................................................................................................... 22
• 2.4. Risultati e analisi ............................................................................................................................................. 25
• 2.5. Effetto di WFS .................................................................................................................................................. 26
• 2.6. Effetto del TS ................................................................................................................................................... 30
• 2.7. Effetto dell’NTWD ........................................................................................................................................... 34
• 2.8. Effetto dell’angolo della torcia ....................................................................................................................... 37
• 2.9. Casi di studio .................................................................................................................................................... 38
• 3. Modello di confronto: produzione integrata basata su WAAM e lavorazione a macchina ................... 41
• 3.1. Introduzione .................................................................................................................................................... 41
• 3.2. Il quadro del modello ...................................................................................................................................... 41
• 3.3. Produzione e pre-lavorazione dei materiali ....................................................................................................... 41
• 3.4. Processi per unità di lavorazione del substrato e di finitura ............................................................................. 42
• 3.5. Processo per unità WAAM ................................................................................................................................ 44
• 3.6. Studio di casi e inventario del ciclo di vita (LCI) ............................................................................................... 46
• 3.7. Risultati e discussione ....................................................................................................................................... 49
• Conclusioni ............................................................................................................................................................ 51
• Bibliografia ............................................................................................................................................................ 52

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1. Tecnologia WAAM: caratteristiche del processo

1.1. Introduzione

Gli ultimi anni sono testimoni di una continua ricerca di nuove tecnologie all’avanguardia che supportino lo sviluppo ed il progresso confrontandosi con le nuove sfide del secolo, quali la salvaguardia ambientale, la riduzione degli sprechi, la crescita del fabbisogno produttivo e la necessità di prodotti sempre più specifici e complessi. Fra le nuove tecnologie in via di sviluppo si osserva una particolare crescita delle tecnologie relative al campo dell’Additive Manufacturing (AM).

Fra queste, la Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ha acquisito un maggiore riconoscimento a causa della grande efficienza e dei numerosi vantaggi che presenta, fra cui: alti tassi di deposizione, maggiore efficienza dei materiali, tempi di produzione inferiori, costi di attrezzature e di inventario ridotti.

1.2. Tecnologie additive

La tecnologia AM si è sviluppata come processo di produzione innovativo e affidabile che produce il componente direttamente dal modello CAD. Ciò rende possibile la produzione di componenti con profili complessi in un solo passaggio, riducendo quindi i costi di assemblaggio. L'obiettivo primario dei processi AM è ridurre al minimo i tempi di produzione e l'utilizzo dei materiali, mentre le principali sfide affrontate dalla tecnologia AM sono relative ai problemi di prestazione e qualità strutturale.

Rispetto alla ben nota tecnologia CNC, l’Additive Manufacturing offre notevoli vantaggi in termini di velocità di produzione e realizzabilità di geometrie complesse. Inoltre, la tecnologia AM ha il potenziale per ridurre quasi il 50% dei costi di lavorazione delle leghe ad alta resistenza.

Sono elencati, di seguito, alcuni fra i processi di produzione AM:

• Processo di produzione additiva laser
• Processo di deposizione a spruzzo a freddo
• Processo di produzione di oggetti laminati (LOM)
• Produzione additiva Wire Arc (WAAM)

La tecnologia WAAM basa il suo funzionamento sui noti processi di saldatura, utilizzandoli tuttavia con uno scopo differente ovvero quello di realizzare, in modo additivo, un componente. Si rivela particolarmente utile rispetto ad altri processi AM a causa di un maggiore tasso di produzione, costi ridotti, utilizzo del materiale al 100% e migliore fusione degli strati all'interno delle parti. 3

Di contro, è caratterizzata da problematiche quali: una minore finitura superficiale, stress residuo, impurità superficiali, deformazioni dovute al surriscaldamento.

1.3. Metodi di saldatura in WAAM

La tecnologia WAAM si basa principalmente su tre tecniche di saldatura:

• GMAW (Saldatura a filo continuo)
• GTAW (Saldatura TIG)
• PAW (Saldatura al Plasma)

Tabella 1.1 Caratteristiche delle tipologie di saldatura utilizzate nella produzione con tecnologia WAAM

In GMAW, la torcia di saldatura e il filo sono coassiali l'uno all'altro, il che semplifica il processo di generazione del percorso. Inoltre, il processo GMAW offre il più alto tasso di deposizione materiale che è circa 2-3 volte superiore a quello di altri processi. WAAM a base GMAW è eccellente per l'alluminio e l'acciaio, ma nel caso del titanio causa vagabondaggio dell'arco e la superficie ottenuta risulta particolarmente grezza.

GTAW e PAW sono i processi più adatti per le parti in titanio ma richiedono di ruotare la torcia per mantenere corretta l’orientazione del materiale d’apporto. A causa del sistema di alimentazione esterna del filo, la generazione del percorso utensile e la programmazione del robot risultano più complesse.

Il processo PAW è quello che permette di ottenere saldature di qualità fine con le minime distorsioni. Il limite principale di questo processo consiste nell’impossibilità di produrre pezzi di dimensioni eccessivamente grandi.

Figura 1.1 Produzione di un componente con tecnologia WAAM basata su GTAW

Figura 1.2 Componente realizzato con tecnologia WAAM e fasi successive di lavorazione superficiale CNC 5

1.4. Fasi del processo

La fabbricazione delle parti mediante WAAM consiste in tre passaggi chiave: pianificazione del processo, deposizione e post-trattamento.

Il processo si può riassumere nelle seguenti fasi:

• 1) Modello CAD. La prima fase consiste nella realizzazione del modello tridimensionale attraverso software CAD o processi di Reverse Engineering come la scansione tridimensionale.
• 2) Slicing da 3D a 2D. In questa fase un software trasforma il modello pieno 3D in una sovrapposizione di lamine 2D caratterizzate da un determinato spessore.
• 3) Calcolo del percorso. Il percorso ottimale viene calcolato utilizzando un software che definisce tutti i parametri. La pianificazione e la programmazione sono sviluppate appositamente per il determinato materiale e a seconda della parte da fabbricare.
• 4) Generazione di codice CNC. La generazione del codice CNC può essere eseguita manualmente o tramite programmazione da computer.
• 5) Produzione. La produzione avviene in modo additivo strato per strato, con il primo deposito effettuato su un componente planare detto substrato. L’ugello, quindi, si sposta verso l'alto a una certa altezza e forma lo strato successivo sopra quello precedentemente depositato.

Figura 1.3 Fasi del processo di produzione WAAM 6

I sistemi WAAM avanzati possono essere dotati di vari sensori per misurare i parametri di saldatura, la geometria del cordone depositato, il comportamento di trasferimento dei metalli e la temperatura, supportando così il monitoraggio e il controllo in-process per ottenere una migliore qualità del prodotto.

1.5. Apparecchiature WAAM

I sistemi WAAM possono essere classificati in due categorie:

• Sistemi robotici
• Sistemi basati su macchine utensili

Un qualsiasi braccio robotico o manipolatore a 3 assi e una fonte di alimentazione di saldatura ad arco possono essere integrati per formare un sistema WAAM di base.

Allo stesso modo, una configurazione di saldatura robotica standard può anche essere modificata per essere utilizzata per la tecnica WAAM. In quest’ultimo caso, i principali adattamenti che si operano consistono in:

• Tavoli da lavoro con rotazione infinita
• Miglior controllo software
• Migliore gestione termica
• Fonte di energia realizzata con parti di alta qualità per sostenere lunghi periodi di funzionamento

Nella maggior parte dei casi si utilizza un robot industriale articolato per il meccanismo di movimento dei sistemi WAAM.

Figura 1.4 Esempio di attrezzatura WAAM 7

1.5.1. Protezione

In riferimento allo scudo gassoso di protezione della saldatura, si individuano due principali sistemi:

• Sistema a camera chiusa
• Sistema di protezione locale

Un sistema a camera chiusa prevede l’organizzazione di un ambiente chiuso caratterizzato da un’atmosfera di gas inerte. Tale atmosfera gassosa garantisce la protezione della saldatura e delle zone termicamente alterate dagli elementi atmosferici e ossidanti. Il limite principale di questo sistema risiede nelle dimensioni necessariamente ridotte dei componenti.

Un sistema di protezione locale prevede la generazione di un flusso di gas, attraverso un ugello posto sulla torcia, che permette di spazzare via localmente gli elementi atmosferici e di garantire, quindi, protezione alla saldatura.

1.6. Materiali utilizzati nel processo WAAM

I processi WAAM utilizzano fili disponibili in commercio che sono prodotti per l'industria della saldatura e disponibili in forma spooled, ovvero sotto forma di avvolgimento.

La fabbricazione di una parte strutturalmente sana, priva di difetti e affidabile richiede la comprensione delle opzioni di processo disponibili, dei processi fisici correlati al relativo processo di fabbricazione, dei materiali utilizzati e delle loro caratteristiche, dei metodi di controllo del processo e di una valutazione delle cause dei vari difetti comuni e dei loro rimedi.

Tabella 1.2 Materiali comunemente utilizzati e loro impieghi

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1.6.1. Leghe di titanio

Le leghe di titanio sono state ampiamente studiate per l'applicazione della produzione additiva, in particolare nei componenti aerospaziali, grazie al loro elevato rapporto resistenza/peso, alla scarsa lavorabilità con metodi tradizionali e al costo intrinsecamente elevato del materiale. L’utilizzo delle leghe di Titanio nella produzione WAAM garantisce rapporti buy-to-fly molto bassi rispetto ai metodi di produzione sottrattivi convenzionali. Con la dicitura “rapporto buy to fly” ci si riferisce al rapporto fra il peso del materiale grezzo di partenza e il peso del materiale utilizzato nel componente.

1.6.2. Leghe di alluminio

Nel caso dell’alluminio, il valore commerciale della WAAM è principalmente giustificabile per strutture grandi e complesse a parete sottile, poiché il costo di produzione di componenti in lega di alluminio piccoli e semplici utilizzando processi di lavorazione convenzionali è basso. Le proprietà meccaniche delle parti prodotte in lega di alluminio sono inferiori a quelle del materiale della billetta di partenza. Per ottenere una resistenza più elevata, migliori proprietà meccaniche e perfezionare la microstruttura, la parte in alluminio deve essere sottoposta a trattamento termico post-processo.

Le complicazioni relative alle leghe di alluminio si individuano principalmente nella saldatura difficoltosa a causa dei difetti di saldatura e alla formazione di un bagno di fusione turbolento durante la deposizione. Il principale difetto riscontrato nell'alluminio depositato è la "porosità", eliminabile con buoni parametri di saldatura e fili di buona qualità.

1.6.3. Superleghe a base di nichel

Le superleghe a base di nichel sono il secondo materiale più popolare studiato dalla comunità di ricerca sulla produzione additiva dopo le leghe di titanio, principalmente a causa della loro grande resistenza a temperature elevate e degli elevati costi di fabbricazione utilizzando metodi tradizionali.

Le superleghe a base di nichel sono ampiamente applicate nelle industrie aerospaziale, aeronautica, petrolchimica, chimica e marina grazie alla loro eccezionale resistenza all'ossidazione a temperature superiori a 550 °C. La resistenza allo snervamento, la resistenza a rottura e le deformazioni della lega di nichel depositata sono comparabili o leggermente inferiori a quelli dei materiali lavorati e di fonderia. 9

1.6.4. Acciai inossidabili

I motivi principali dell’utilizzo di acciai inossidabili nella tecnologia WAAM sono l’elevata duttilità e la resistenza alla corrosione. È possibile produrre componenti caratterizzati da buone proprietà meccaniche e microstruttura. I componenti mostrano una leggera anisotropia che può essere eliminata attraverso un adeguato trattamento termico post-processo.

1.7. Parametri di processo

Analizziamo, in questa sezione, quali sono i parametri di funzionamento della macchina e come variano le caratteristiche del cordone di saldatura al variare di tali parametri.

Il primo parametro che caratterizza il processo è la velocità di avanzamento del filo, anche detta WFR (wire feed rate). All’aumentare della WFR:

• L’altezza del cordone aumenta
• L’angolo di bagnatura diminuisce

La velocità di marcia, anche detta TS (torch speed) rappresenta la velocità con cui la torcia avanza nella direzione della deposizione del materiale. All’aumentare della velocità di mar