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)模型的常見問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)合對于許多沙模鑄造應(yīng)用來說是*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)焊接臂通過金屬絲原料上的電弧束來制造3D對象。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
在組裝過程之后(甚至在組裝過程中)，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)對其他參數(shù)的長期影響，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，溫度過高會(huì)導(dǎo)致與周圍空氣發(fā)生不佳氧化，尤其是對于有色金屬來說。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針對不同的溫度邊界開發(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。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期望未來船級社等組織能給更多材料分級，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的常見層厚度應(yīng)>1mm)方面的挑戰(zhàn)。在完成裝配過程之后，需要特別注意對具有不同余量彎曲形狀的磨削過程進(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2m的零件。
