3D打印最近幾年發(fā)展成為一項熱門技術帚萧。該技術在海事行業(yè)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前弯。德國螺旋槳制造商MMG向業(yè)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(zhàn)打厘。
砂型鑄造3D打印模型

MMG主要使用塑料PLA(聚乳酸)進行3D打印修肠，因其價格低、可降解户盯、可層壓嵌施，易于打印并且可與無機成型材料兼容。除PLA以外莽鸭，還可以加工其他商業(yè)塑料吗伤。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硫眨。模型通常由木材制成足淆，原因是木材容易獲取且易于加工。目前织岁，木制模型是由外部模型構造器生產的赃织，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着脐，而且不影響尺寸精度氨筑。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畸居。PLA就沒有這種情況瑰齐。
   傳統(tǒng)方式和FDM模型制作各有其優(yōu)缺點。對于帶有型腔或圓角的復雜模型栅洁，使用FDM 3D打印能夠節(jié)省時間和資金仔醒。但這兩種技術的結合對于許多沙模鑄造應用來說是最有效的。
下圖顯示了MMG的一個螺旋槳轂帽鰭3D打印模型制造過程劳诽，該模型由一個木質軀干和5個3D打印的嵌入體組成序评。

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對象径楼。由于熔化速率高汽足，電弧焊是最重要的大批量零件增材制造工藝之一。與粉末焊接相比嚼锄，電弧焊具備成熟可靠的工藝技術减拭，是一種經濟效益很高的替代選擇。
  MMG和Fraunhofer IGP已經3D打印了首個用于潮汐能渦輪機葉片的空心螺旋槳葉片樣品区丑。該樣品以銅鋁打印而成拧粪，重約30kg。銅鋁合金的特點是具有良好的耐海水腐蝕性能沧侥、良好的焊接性和較高的機械性能可霎。
   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潮流中的最大功率為60kW。所需生產的幾何形狀非常適合分層結構癣朗，生產時預先檢查了功率需求拾因，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旷余，使用場所也會受到限制绢记。使用CFRP等纖維增強塑料具有以下缺點：它們不耐氣蝕，并且不能完全回收正卧。因此蠢熄，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茅早。
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敞冤。WAAM工藝相比普通的對接接頭有所不同，且更為復雜肘论，多相青銅空心結構的制造工藝主要體現在3個領域崭甩。
1、材料科學
   材料科學方面的挑戰(zhàn)有腐蝕行為耳恭、結構組成犹狮、機械和技術參數优学、定期再加熱以及可能的后熱處理等叹惕。
2、路徑規(guī)劃
   路徑規(guī)劃的準備工作面臨的挑戰(zhàn)有切片工藝陡敞、焊道的可再現性随巴、焊道建模、熱輸入模擬等掖沸。
3殖咨、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(zhàn)烛亦。
   與組合接頭相比诈泼，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煤禽。MMG的經驗表明铐达，電流的變化(這是可復制焊道幾何形狀最有效的參數)對焊道幾何形狀瓮孙、熱量輸入以及必要的傳輸速度具有直接影響。
   如果增加電流杭抠，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丹诀。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(fā)生不良氧化忿墅，尤其是對于有色金屬來說。降低道間溫度需要冷卻時間棍潜，這將增加時間和成本恭吊，并導致溫度梯度升高，進而引發(fā)變形针如。
   工藝參數(電壓仓判、電流、傳輸速度)必須根據道間溫度艇泡、所需的焊道幾何形狀(層寬蜘体、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广狂。MMG針對不同的溫度邊界開發(fā)了不同的參數設置逮百。
   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镀翁，并可能導致相/晶粒生長氯北。與常規(guī)鑄造工藝相比卸悼，逐層堆積工藝會產生更高的殘余應力。熱輸入的規(guī)劃是制造尺寸較大的組件時不可忽視的話題笛园。
  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(tǒng)一的標準侍芝。
   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(zhàn)棵红。在完成裝配過程之后留量，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(guī)劃。船用部件的特殊邊界(例如楼熄，尺寸大浩峡、制造時間短村钧、產品獨一無二)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的零件臊骂。

（中國船檢）

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