DQZHAN技術訊：3D打印螺旋槳技術的應用和挑戰
3D打印*近幾年發展成為一項熱門技術。該技術在海事行業的應用范圍也在不斷擴大，船舶螺旋槳的生產就是其中一個例子。德國螺旋槳制造商MMG向業界分享了3D打印技術在螺旋槳制造領域的應用現狀和面臨的挑戰。
砂型鑄造3D打印模型
MMG主要使用塑料PLA(聚乳酸)進行3D打印，因其價格低、可降解、可層壓，易于打印并且可與無機成型材料兼容。除PLA以外，還可以加工其他商業塑料。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打印模型制造的應用過程中不斷得到改進。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造器生產的，生產時間可能需要數周或數月。使用FDM打印模型可以縮短生產周期，而且不影響尺寸精度。木質模型的常見問題是受型砂水分影響尺寸會產生變化。其結果是模型難以成型并且會損壞模具。PLA就沒有這種情況。
傳統方式和FDM模型制作各有其優缺點。對于帶有型腔或圓角的復雜模型，使用FDM 3D打印能夠節省時間和資金。但這兩種技術的結合對于許多沙模鑄造應用來說是*有效的。
下圖顯示了MMG的一個螺旋槳轂帽鰭3D打印模型制造過程，該模型由一個木質軀干和5個3D打印的嵌入體組成。
使用電弧焊機器人制造船用部件
另一種新的生產技術是空心結構機器人電弧焊(GMAW)。該工藝應用了自動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，是一種經濟效益很高的替代選擇。
MMG和Fraunhofer IGP已經3D打印了靠前用于潮汐能渦輪機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。銅鋁合金的特點是具有良好的耐海水腐蝕性能、良好的焊接性和較高的機械性能。
葉片是為直徑為4m的三葉片渦輪機設計的。該渦輪機在3m/s潮流中的*大功率為60kW。所需生產的幾何形狀非常適合分層結構，生產時預先檢查了功率需求，并通過RANSE-CFD方法確定了操作點上葉片的水動力荷載分布。
在鑄件結構中使用笨重而緩慢的渦輪葉片需要較高的流速，使用場所也會受到限制。使用CFRP等纖維增強塑料具有以下缺點：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構。
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，且更為復雜，多相青銅空心結構的制造工藝主要體現在3個領域。
1、材料科學
材料科學方面的挑戰有腐蝕行為、結構組成、機械和技術參數、定期再加熱以及可能的后熱處理等。
2、路徑規劃
路徑規劃的準備工作面臨的挑戰有切片工藝、焊道的可再現性、焊道建模、熱輸入模擬等。
3、機械加工工藝
在組裝過程之后(甚至在組裝過程中)，利用機械加工工藝(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。
與組合接頭相比，由于一個參數(例如電流)對其他參數的長期影響，材料科學變得更加復雜。MMG的經驗表明，電流的變化(這是可復制焊道幾何形狀*有效的參數)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，熱量輸入也會增加，道間溫度就會相應升高，這需要再次調整電流和傳輸速度。道間溫度會以特殊的方式影響材料，溫度過高會導致與周圍空氣發生不佳氧化，尤其是對于有色金屬來說。降低道間溫度需要冷卻時間，這將增加時間和成本，并導致溫度梯度升高，進而引發變形。
工藝參數(電壓、電流、傳輸速度)必須根據道間溫度、所需的焊道幾何形狀(層寬、層厚度等)、復雜的零件幾何形狀以及材料的導熱性進行調整。MMG針對不同的溫度邊界開發了不同的參數設置。
此外，下層的周期性再加熱(由逐層堆積引起)會對多相材料的微觀結構產生影響，并可能導致相/晶粒生長。與常規鑄造工藝相比，逐層堆積工藝會產生更高的殘余應力。熱輸入的規劃是制造尺寸較大的組件時不可忽視的話題。
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械性能設定統一的標準。
此外，切片工藝還面臨著焊道幾何形狀的可復制性(取決于溫度)和“階梯效應”(WAAM的常見層厚度應>1mm)方面的挑戰。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行復雜的路徑規劃。船用部件的特殊邊界(例如，尺寸大、制造時間短、產品****)催生出了機器人解決方案，這種方案可用于快速制造部件高度超過2m的零件。
