Experimentella undersökningar av hybridtillverkning: WEDM av WAAM-tillverkade komponenter i rostfritt stål med ANFIS-modellering

Göra stora metalldelar mer precisa

Från flygplansvingar till medicinska implantat förlitar sig många moderna maskiner på stora metalldelar som både måste vara starka och extremt precisa. En nyare metod för att bygga sådana delar, kallad wire arc additive manufacturing, är effektiv för att snabbt skapa stora former i rostfritt stål men lämnar grova ytor och små geometriska avvikelser. Denna studie undersöker hur en andra process, wire electrical discharge machining, kan noggrant trimma och släta ut dessa additivt framställda delar, samtidigt som en intelligent datoriserad modell hjälper ingenjörer att hitta de bästa maskininställningarna för att balansera hastighet och kvalitet.

Varför nya metoder för metallbyggande spelar roll

Traditionell bearbetning börjar med ett solitt block och tar bort material, vilket kan vara långsamt, slösaktigt och begränsat i form. Wire arc additive manufacturing bygger istället metalldelar lager för lager med hjälp av en elektrisk båge och metalltråd, nästan som att svetsa fram en komponent. Detta förfarande är snabbt, kostnadseffektivt och lämpligt för stora delar i rostfritt stål, vilket gör det attraktivt för flyg-, energi- och industridesign. Nackdelen är att de lagerade ytorna tenderar att bli vågiga och grova, och den värme som tillförs kan lämna interna spänningar och små dimensionella fel, vilket inte är acceptabelt där snäva toleranser och släta ytor krävs.

Efterbearbetning med gnistor istället för skärande verktyg

För att korrigera dessa brister använde författarna wire electrical discharge machining, en process som använder en tunn tråd och små elektriska gnistor för att erodera metall utan fysisk kontakt. De rostfria delarna, tillverkade av en vanlig legering kallad SS316L med wire arc additive manufacturing, formades och efterbehandlades sedan med denna gnistbaserade skärmetod. Eftersom tråden aldrig rör vid delen kan den skära hårda och intrikata former mycket exakt, och den är särskilt användbar för att nå komplexa geometrier som kan vara svåra för vanliga skärverktyg. Den centrala utmaningen är att denna gnistprocess är mycket känslig för hur länge varje gnista är på, hur länge den är av och hur stark strömmen är, så teamet mätte hur dessa inställningar påverkar materialavverkningshastighet, ytråhet och geometrisk noggrannhet.

Testa många inställningar med smart statistik

Med en strukturerad experimentplan körde forskarna 27 olika kombinationer av gnista-på-tid, gnista-av-tid och elektrisk ström på de additivt tillverkade delarna i rostfritt stål. De mätte hur snabbt metall avverkades, hur grov den slutliga ytan blev, hur mycket dimensionerna avvek från målet och hur väl väggarna höll sig raka och vinkelräta. Resultaten visade att gnista-på-tid var den huvudsakliga faktorn för hur snabbt material avverkades men också en viktig källa till storleksfel och formförvrängningar när den var för hög. Gnista-av-tid däremot var avgörande för att uppnå en finare yta och stabilare geometri eftersom den gav vätskan mellan tråd och del tid att återhämta sig och spola bort partiklar.

Lära ett digitalt hjälpmedel att förutsäga kvalitet

För att hantera att flera kvalitetsmått måste vara goda samtidigt kombinerade teamet två metoder: ett rangordningsverktyg som slår samman alla prestationsmått till en enda poäng, och ett adaptivt neuro-fuzzy inferenssystem, en typ av intelligent modell som kan lära sig komplexa mönster från data. De tränade modellen på experimentella resultat så att den kunde förutsäga den sammansatta prestationspoängen för nya uppsättningar maskininställningar. Förutsägelserna överensstämde mycket väl med experimenten, med små fel och en nästan perfekt korrelation, vilket visar att modellen fångade sambanden mellan hastighet, ytfinish och geometrisk precision i denna hybrida process.

Vad detta betyder för framtida metalldelar

Enkelt uttryckt visar studien att det går att snabbt bygga delar i rostfritt stål med wire arc-metoder och sedan efterbehandla dem med gnistbaserad skärning för att leverera släta, precisa komponenter lämpade för krävande användningar. Den visar också att noggrann inställning av gnista-på- och gnista-av-tider kan balansera snabb avverkning med bra ytkvalitet och stabila former. Den intelligenta modellen som utvecklats här kan vägleda ingenjörer mot de bästa kombinationerna av inställningar utan att testa varje möjlighet på riktiga delar. Tillsammans pekar denna hybrida tillverkningsväg och dess digitala assistent mot skalbar produktion av stora, precisa metalldelar för områden som flyg-, medicintekniska produkter och energisystem.

Citering: Thejasree, P., Manikandan, N., Marimuthu, S. et al. Experimental investigations on hybrid manufacturing: WEDM of WAAM-fabricated stainless-steel components using ANFIS modelling. Sci Rep 16, 15169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45952-w

Nyckelord: wire arc additive manufacturing, wire electrical discharge machining, stainless steel 316L, hybrid manufacturing, ANFIS modelling