3D打印螺旋桨技术的应用和挑战

国际金属加工网 2020年05月19日

3D打印最近几年发展成为一项热门技术。该技术在海事行业的应用范围也在不断扩大,船舶螺旋桨的生产就是其中一个例子。德国螺旋桨制造商MMG向业界分享了3D打印技术在螺旋桨制造领域的应用现状和面临的挑战。
砂型铸造3D打印模型

MMG主要使用塑料PLA(聚乳酸)进行3D打印,因其价格低、可降解、可层压,易于打印并且可与无机成型材料兼容。除PLA以外,还可以加工其他商业塑料。带模型的砂型铸造是一种行之有效的制造方法,并且在熔融沉积成形(FDM)3D打印模型制造的应用过程中不断得到改进。模型通常由木材制成,原因是木材容易获取且易于加工。目前,木制模型是由外部模型构造器生产的,生产时间可能需要数周或数月。使用FDM打印模型可以缩短生产周期,而且不影响尺寸精度。木质模型的常见问题是受型砂水分影响尺寸会产生变化。其结果是模型难以成型并且会损坏模具。PLA就没有这种情况。
   传统方式和FDM模型制作各有其优缺点。对于带有型腔或圆角的复杂模型,使用FDM 3D打印能够节省时间和资金。但这两种技术的结合对于许多沙模铸造应用来说是最有效的。
下图显示了MMG的一个螺旋桨毂帽鳍3D打印模型制造过程,该模型由一个木质躯干和5个3D打印的嵌入体组成。
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使用电弧焊机器人制造船用部件

另一种新的生产技术是空心结构机器人电弧焊(GMAW)。该工艺应用了自动焊接臂通过金属丝原料上的电弧束来制造3D对象。由于熔化速率高,电弧焊是最重要的大批量零件增材制造工艺之一。与粉末焊接相比,电弧焊具备成熟可靠的工艺技术,是一种经济效益很高的替代选择。
  MMG和Fraunhofer IGP已经3D打印了首个用于潮汐能涡轮机叶片的空心螺旋桨叶片样品。该样品以铜铝打印而成,重约30kg。铜铝合金的特点是具有良好的耐海水腐蚀性能、良好的焊接性和较高的机械性能。
   叶片是为直径为4m的三叶片涡轮机设计的。该涡轮机在3m/s潮流中的最大功率为60kW。所需生产的几何形状非常适合分层结构,生产时预先检查了功率需求,并通过RANSE-CFD方法确定了操作点上叶片的水动力荷载分布。
   在铸件结构中使用笨重而缓慢的涡轮叶片需要较高的流速,使用场所也会受到限制。使用CFRP等纤维增强塑料具有以下缺点:它们不耐气蚀,并且不能完全回收。因此,MMG决定减少这类不利因素,使用青铜合金将叶片制成空心结构。
电弧增材制造(WAAM)

MMG的WAAM(电弧增材制造)工艺是基于青铜填充材料和MIG脉冲电弧的逐层堆积工艺。WAAM工艺相比普通的对接接头有所不同,且更为复杂,多相青铜空心结构的制造工艺主要体现在3个领域。
1、材料科学
   材料科学方面的挑战有腐蚀行为、结构组成、机械和技术参数、定期再加热以及可能的后热处理等。
2、路径规划
   路径规划的准备工作面临的挑战有切片工艺、焊道的可再现性、焊道建模、热输入模拟等。
3、机械加工工艺
   在组装过程之后(甚至在组装过程中),利用机械加工工艺(例如打磨和/或铣削)将零件的原始(焊接)表面变成CAD几何形状也面临挑战。
   与组合接头相比,由于一个参数(例如电流)对其他参数的长期影响,材料科学变得更加复杂。MMG的经验表明,电流的变化(这是可复制焊道几何形状最有效的参数)对焊道几何形状、热量输入以及必要的传输速度具有直接影响。
   如果增加电流,热量输入也会增加,道间温度就会相应升高,这需要再次调整电流和传输速度。道间温度会以特殊的方式影响材料,温度过高会导致与周围空气发生不良氧化,尤其是对于有色金属来说。降低道间温度需要冷却时间,这将增加时间和成本,并导致温度梯度升高,进而引发变形。
   工艺参数(电压、电流、传输速度)必须根据道间温度、所需的焊道几何形状(层宽、层厚度等)、复杂的零件几何形状以及材料的导热性进行调整。MMG针对不同的温度边界开发了不同的参数设置。
   此外,下层的周期性再加热(由逐层堆积引起)会对多相材料的微观结构产生影响,并可能导致相/晶粒生长。与常规铸造工艺相比,逐层堆积工艺会产生更高的残余应力。热输入的规划是制造尺寸较大的组件时不可忽视的话题。
  MMG期望未来船级社等组织能给更多材料分级,以便定义公差并给机械性能设定统一的标准。
   此外,切片工艺还面临着焊道几何形状的可复制性(取决于温度)和“阶梯效应”(WAAM的常见层厚度应>1mm)方面的挑战。在完成装配过程之后,需要特别注意对具有不同余量弯曲形状的磨削过程进行复杂的路径规划。船用部件的特殊边界(例如,尺寸大、制造时间短、产品独一无二)催生出了机器人解决方案,这种方案可用于快速制造部件高度超过2m的零件。

 

(中国船检)

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