DQZHAN技術(shù)訊：3D打印螺旋槳技術(shù)的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

3D打印*近幾年發(fā)展成為一項(xiàng)熱門技術(shù)。該技術(shù)在海事行業(yè)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，船舶螺旋槳的生產(chǎn)就是其中一個(gè)例子。德國(guó)螺旋槳制造商MMG向業(yè)界分享了3D打印技術(shù)在螺旋槳制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)。

砂型鑄造3D打印模型

MMG主要使用塑料PLA(聚乳酸)進(jìn)行3D打印，因其價(jià)格低、可降解、可層壓，易于打印并且可與無(wú)機(jī)成型材料兼容。除PLA以外，還可以加工其他商業(yè)塑料。帶模型的砂型鑄造是一種行之有效的制造方法，并且在熔融沉積成形(FDM)3D打印模型制造的應(yīng)用過(guò)程中不斷得到改進(jìn)。模型通常由木材制成，原因是木材容易獲取且易于加工。目前，木制模型是由外部模型構(gòu)造器生產(chǎn)的，生產(chǎn)時(shí)間可能需要數(shù)周或數(shù)月。使用FDM打印模型可以縮短生產(chǎn)周期，而且不影響尺寸精度。木質(zhì)模型的常見(jiàn)問(wèn)題是受型砂水分影響尺寸會(huì)產(chǎn)生變化。其結(jié)果是模型難以成型并且會(huì)損壞模具。PLA就沒(méi)有這種情況。

傳統(tǒng)方式和FDM模型制作各有其優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于帶有型腔或圓角的復(fù)雜模型，使用FDM 3D打印能夠節(jié)省時(shí)間和資金。但這兩種技術(shù)的結(jié)合對(duì)于許多沙模鑄造應(yīng)用來(lái)說(shuō)是*有效的。

下圖顯示了MMG的一個(gè)螺旋槳轂帽鰭3D打印模型制造過(guò)程，該模型由一個(gè)木質(zhì)軀干和5個(gè)3D打印的嵌入體組成。

使用電弧焊機(jī)器人制造船用部件

另一種新的生產(chǎn)技術(shù)是空心結(jié)構(gòu)機(jī)器人電弧焊(GMAW)。該工藝應(yīng)用了自動(dòng)焊接臂通過(guò)金屬絲原料上的電弧束來(lái)制造3D對(duì)象。由于熔化速率高，電弧焊是*重要的大批量零件增材制造工藝之一。與粉末焊接相比，電弧焊具備成熟可靠的工藝技術(shù)，是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的替代選擇。

MMG和Fraunhofer IGP已經(jīng)3D打印了靠前用于潮汐能渦輪機(jī)葉片的空心螺旋槳葉片樣品。該樣品以銅鋁打印而成，重約30kg。銅鋁合金的特點(diǎn)是具有良好的耐海水腐蝕性能、良好的焊接性和較高的機(jī)械性能。

葉片是為直徑為4m的三葉片渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的。該渦輪機(jī)在3m/s潮流中的*大功率為60kW。所需生產(chǎn)的幾何形狀非常適合分層結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)時(shí)預(yù)先檢查了功率需求，并通過(guò)RANSE-CFD方法確定了操作點(diǎn)上葉片的水動(dòng)力荷載分布。

在鑄件結(jié)構(gòu)中使用笨重而緩慢的渦輪葉片需要較高的流速，使用場(chǎng)所也會(huì)受到限制。使用CFRP等纖維增強(qiáng)塑料具有以下缺點(diǎn)：它們不耐氣蝕，并且不能完全回收。因此，MMG決定減少這類不利因素，使用青銅合金將葉片制成空心結(jié)構(gòu)。

電弧增材制造(WAAM)

MMG的WAAM(電弧增材制造)工藝是基于青銅填充材料和MIG脈沖電弧的逐層堆積工藝。WAAM工藝相比普通的對(duì)接接頭有所不同，且更為復(fù)雜，多相青銅空心結(jié)構(gòu)的制造工藝主要體現(xiàn)在3個(gè)領(lǐng)域。

1、材料科學(xué)

材料科學(xué)方面的挑戰(zhàn)有腐蝕行為、結(jié)構(gòu)組成、機(jī)械和技術(shù)參數(shù)、定期再加熱以及可能的后熱處理等。

2、路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃的準(zhǔn)備工作面臨的挑戰(zhàn)有切片工藝、焊道的可再現(xiàn)性、焊道建模、熱輸入模擬等。

3、機(jī)械加工工藝

在組裝過(guò)程之后(甚至在組裝過(guò)程中)，利用機(jī)械加工工藝(例如打磨和/或銑削)將零件的原始(焊接)表面變成CAD幾何形狀也面臨挑戰(zhàn)。

與組合接頭相比，由于一個(gè)參數(shù)(例如電流)對(duì)其他參數(shù)的長(zhǎng)期影響，材料科學(xué)變得更加復(fù)雜。MMG的經(jīng)驗(yàn)表明，電流的變化(這是可復(fù)制焊道幾何形狀*有效的參數(shù))對(duì)焊道幾何形狀、熱量輸入以及必要的傳輸速度具有直接影響。

如果增加電流，熱量輸入也會(huì)增加，道間溫度就會(huì)相應(yīng)升高，這需要再次調(diào)整電流和傳輸速度。道間溫度會(huì)以特殊的方式影響材料，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致與周圍空氣發(fā)生不佳氧化，尤其是對(duì)于有色金屬來(lái)說(shuō)。降低道間溫度需要冷卻時(shí)間，這將增加時(shí)間和成本，并導(dǎo)致溫度梯度升高，進(jìn)而引發(fā)變形。

工藝參數(shù)(電壓、電流、傳輸速度)必須根據(jù)道間溫度、所需的焊道幾何形狀(層寬、層厚度等)、復(fù)雜的零件幾何形狀以及材料的導(dǎo)熱性進(jìn)行調(diào)整。MMG針對(duì)不同的溫度邊界開(kāi)發(fā)了不同的參數(shù)設(shè)置。

此外，下層的周期性再加熱(由逐層堆積引起)會(huì)對(duì)多相材料的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并可能導(dǎo)致相/晶粒生長(zhǎng)。與常規(guī)鑄造工藝相比，逐層堆積工藝會(huì)產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力。熱輸入的規(guī)劃是制造尺寸較大的組件時(shí)不可忽視的話題。

MMG期望未來(lái)船級(jí)社等組織能給更多材料分級(jí)，以便定義公差并給機(jī)械性能設(shè)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

此外，切片工藝還面臨著焊道幾何形狀的可復(fù)制性(取決于溫度)和“階梯效應(yīng)”(WAAM的常見(jiàn)層厚度應(yīng)>1mm)方面的挑戰(zhàn)。在完成裝配過(guò)程之后，需要特別注意對(duì)具有不同余量彎曲形狀的磨削過(guò)程進(jìn)行復(fù)雜的路徑規(guī)劃。船用部件的特殊邊界(例如，尺寸大、制造時(shí)間短、產(chǎn)品****)催生出了機(jī)器人解決方案，這種方案可用于快速制造部件高度超過(guò)2m的零件。