从世界首座3D打印金属桥看线弧增材制造工艺未来发展

伦敦帝国学院的Gardner教授和他的研究团队，与一家名为MX3D的荷兰公司合作，通过WAAM工艺建造了世界上第一座金属3D打印桥梁。这座人行结构桥在2021年7月向公众开放，目前横跨于阿姆斯特丹的一条运河上。除桥面外，所有结构都是由一层又一层的308LSi奥氏体不锈钢焊丝沉积而成。在这座桥的整个生命周期，精心放置的测量仪会对桥结构的性能进行监控。

 

2021年7月，荷兰女王马克西玛穿过阿姆斯特丹市中心的运河，为世界上第一座3D打印金属桥揭幕

 

这种测试和监测应有助于建立所需的科学和工程基础，这样才能让增材制技术在建筑行业站稳脚跟。结构制造商和其他行业利益相关者需要既定的测试、测量和制造方法，确保结构安全耐用。挑战是现实的，但正如第一座3D打印金属桥的工作所表明的那样，并非不可克服。

 

 

打印金属结构的潜力
“大多数见过金属3D打印系统实际应用的人都能一眼看出其在某些行业的优势，尤其是在医疗和航空航天领域，”Gardner说，“航空航天和生物医学行业最先采用这项技术。在航空航天领域，更轻的重量和更精细的几何形状会带来丰厚的回报。在生物工程领域，兼容性和定制化至关重要。”

 

那么建筑行业呢？那些有结构制造经验的人可能会认为金属增材制造技术有点牵强，尤其是从成本的角度来看。热轧钢梁和钢板的生产是成熟的、具有成本效益。Gardner表示：与其他行业相比，建筑业对技术吸收确实要慢一些，但我们已经看到了一些应用实例。

 

例如，3D打印的空心结构型材（HSS），形状像网，几乎是有机的。还有奇特几何形状3D打印的铝质外墙节点。每个节点的设计都是为了优化强度和性能，甚至降低组装成本。与其他领域一样，真正的成本节约不在于零件成本，而在于这些优化的零件设计所创造的成本节约。

 

Gardner还引用了利用粉末床熔融技术制造波纹、波状壳管部分的研究。这些管子看起来非常陌生，但却具有一些令人瞠目的性能特点。事实证明，带有波纹的壳体（管状截面）提高了承载能力，降低了对缺陷的敏感性。即使在重载测试中，这些波浪形管段也能岿然不动。

 

线材增材制造的优势
从一开始，MX3D就对技术发展保持开放态度。它发布了WAAM生产一些较小金属部件的视频，不久后，包括Air Liquide、ArcelorMittal、Autodesk在内的几家大公司就主动联系MX3D，希望支持一个更大的项目，以证明WAAM技术确实可以生产更大的部件。

 

2018年，MX3D的WAAM工艺历时6个月打印了这座桥梁

 

公司创始人Van der Velden说：作为阿姆斯特丹人，我们认为这座金属3D打印的结构桥具有象征意义。如果你在市中心看到这座桥，就会知道这项技术已经得到市议会的批准，是可靠和安全的。

 

MX3D在2018年用6个月的时间打印了这座桥梁。项目合作者选择MX3D的WAAM工艺有几个关键原因。首先，与目前使用的所有其他技术相比，WAAM的沉积率非常高，每个机器人每小时最多可沉积约10公斤焊丝。此外，它还依赖于焊丝，一种具有成熟化学成分的成熟产品。在许多方面，该技术是一种适应性金属气弧焊接。可以把它看作是将焊缝堆焊发挥到极致，逐层塑造全新的产品。

 

 

建立工程数据
使用增材制造技术建造桥梁是一个未知领域，尤其是考虑到工程师们确实不知道打印金属的性能如何，最关键的是不知道它将如何失效。在此，Gardner和他的团队开始探索新的领域。

 

团队测试了材料本身和打印金属部件的性能。他们还对整座桥梁进行了全面负载测试。为了测试材料，他们使用了从3D打印金属板上切割下来的典型拉伸试样。一些试样与焊接方向平行（0度），另一些试样与焊缝垂直（90度），还有一些试样与焊缝对角（45度）。

 

研究小组采用了数字图像相关（DIC）系统，这是一种非接触式技术，带有一个特殊的摄像头，可以定时拍摄正在进行拉伸试验的材料的图像。然后记录晶粒结构的变化。他们在加工（光滑表面）和竣工（波浪形表面）两种条件下对试样进行了测试。

 

该数字图像相关系统定期对经过拉力测试的WAAM试样进行拍照

 

研究得到的细节，有助于为使用WAAM 制造的结构部件奠定工程基础。研究小组发现的其他细节包括这种材料在拉伸试验中的异常行为。由于焊接过程中产生的热效应，金属晶粒的排列方式使其在焊接方向与拉伸试验成45度的试样中表现得更好。

 

另一个关键发现来自材料层面：与加工成光滑表面的AM材料相比，“建成”部分（即那些在AM加工过程中表面出现起伏或波浪的部分）的材料性能仅低20%。这是工程师们可以接受的差异。如果WAAM工艺需要对部件进行二次加工才能保证可用性和安全性，那么该技术背后的经济性就会发生很大变化。

 

正如Gardner所说：令人鼓舞的是，AM材料的机械性能与我们通常看到的并无太大差异，即使构成材料表面的焊接金属层有起伏，但在可以接受的范围内。