增材制造在船舶和近海工業(yè)中具有巨大潛力，可以幫助海軍工程師制造重量輕且易于維修的螺旋槳。仿真可幫助設(shè)計(jì)師和增材制造工藝工程師在設(shè)計(jì)階段分析增材制造部件中的殘余應(yīng)力，并優(yōu)化打印工藝以提高強(qiáng)度。

螺旋槳的強(qiáng)度和完整性對(duì)于任何海洋應(yīng)用都至關(guān)重要。螺旋槳的損壞會(huì)嚴(yán)重影響船舶的速度和機(jī)動(dòng)性。增材制造，特別是線弧增材制造 (WAAM) 技術(shù)，不僅可以構(gòu)建螺旋槳，而且可以高效且經(jīng)濟(jì)地修復(fù)螺旋槳。

在工業(yè)工作流程中實(shí)施增材制造之前，工程師必須確信制造的零件將滿足要求和規(guī)格。仿真可以計(jì)算和分析零件在現(xiàn)實(shí)條件下的性能，但要利用這一點(diǎn)，工程師必須確保仿真模型與最終零件相匹配。數(shù)字線程的可追溯性提供了仿真模型和制造數(shù)據(jù)之間的連接。

在這篇博文中，我們將介紹達(dá)索系統(tǒng) 3D?EXPERIENCE 平臺(tái)上的增材制造工作流程。該工作流程使用仿真來(lái)優(yōu)化參數(shù)并計(jì)算螺旋槳內(nèi)部的溫度和應(yīng)力，以降低故障風(fēng)險(xiǎn)并加快測(cè)試過(guò)程。該模擬是數(shù)字線程的一部分，允許可追溯性。

增材制造如何應(yīng)用于船舶和近海工業(yè)？

美國(guó)測(cè)試與材料協(xié)會(huì) (ASTM) 定義了增材制造(AM)的七類。在海洋和近海 (M&O) 中應(yīng)用特別廣泛的兩種技術(shù)是粉末床聚變 (PBF) 和定向能量沉積 (DED)。在 PBF 中，零件由激光熔化的金屬粉末顆粒逐層構(gòu)建而成。與此同時(shí)，在 DED 中，直接能源會(huì)逐層熔化材料。打印頭供有粉末或金屬絲，并且可以旋轉(zhuǎn)至任意角度。這使得 DED 非常適合修復(fù)損壞的部件。

DED，尤其是電弧增材制造 (WAAM) 方法，已在多個(gè) 項(xiàng)目中的螺旋槳方面展示了可喜的成果。維護(hù)是增材制造的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)——如果螺旋槳在使用中發(fā)生損壞，損壞的部分可以磨掉并重新打印。增材制造還可以通過(guò)堅(jiān)固的空心結(jié)構(gòu)來(lái)減輕重量。這有助于減少燃料消耗，從而降低運(yùn)營(yíng)成本并提高可持續(xù)性。

仿真如何幫助增材制造過(guò)程？

增材制造是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，這意味著構(gòu)建的質(zhì)量不僅取決于整體結(jié)構(gòu)，還取決于每層材料在不同冷卻階段與下層和上層材料的相互作用。當(dāng)零件冷卻時(shí)，熱膨脹導(dǎo)致其收縮。這導(dǎo)致零件內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力。

仿真可用于對(duì)隨時(shí)間變化的增材制造過(guò)程進(jìn)行建模。這揭示了殘余應(yīng)力并幫助工程師識(shí)別潛在的故障點(diǎn)。可以比較不同的增材制造工藝（例如不同的刀具路徑或速度），以找到最佳參數(shù)并找到強(qiáng)度和制造時(shí)間等之間的權(quán)衡。

實(shí)時(shí)監(jiān)控零件內(nèi)的冶金變化也有助于指導(dǎo)質(zhì)量保證。了解零件內(nèi)的應(yīng)力有助于確定測(cè)試目標(biāo)，也使工程師更有信心零件將通過(guò)測(cè)試。這加速了原型設(shè)計(jì)階段并縮短了開(kāi)發(fā)周期，從而節(jié)省了時(shí)間和金錢。

用于增材制造仿真的數(shù)字線程解決方案

增材制造螺旋槳設(shè)計(jì)周期中有幾個(gè)不同的任務(wù)。其中包括零件本身的 3D CAD 設(shè)計(jì)、增材制造流程的定義以及模擬和分析。這些都可以通過(guò)“數(shù)字線程”鏈接在一起，這是一個(gè)集成的工作流程，其中數(shù)據(jù)在任務(wù)之間共享，所有利益相關(guān)者都在單一事實(shí)來(lái)源上開(kāi)發(fā)通用的數(shù)字模型。

達(dá)索系統(tǒng)在3D EXPERIENCE 平臺(tái)上提供用于增材制造的數(shù)字主線。螺旋槳或其他零件最初是在 CAD 工具中創(chuàng)建的。這可以直接在3D EXPERIENCE 平臺(tái)上的設(shè)計(jì)軟件中完成，也可以通過(guò)導(dǎo)入 AM 常用的 STL 等格式的設(shè)計(jì)來(lái)完成。這是為使用CATIA數(shù)字化形狀準(zhǔn)備應(yīng)用程序進(jìn)行模擬而準(zhǔn)備的。

然后使用DELMIA材料沉積制造應(yīng)用程序定義增材制造流程。這會(huì)將幾何體切成層并設(shè)置激光路徑。SIMULIA增材制造場(chǎng)景應(yīng)用程序隨后使用它來(lái)建模 AM 流程。瞬態(tài)傳熱分析可計(jì)算激光束移動(dòng)時(shí)零件內(nèi)部的熱量。然后將其與機(jī)械模擬相結(jié)合，并驅(qū)動(dòng)零件內(nèi)靜態(tài)殘余應(yīng)力的計(jì)算。

在整個(gè)過(guò)程中，每個(gè)步驟之間都有直接的、可追溯的聯(lián)系。每個(gè)階段的輸入都是前一階段的輸出，并且保留了重要的上下文。用戶可以確信最終結(jié)果反映了原始流程，如果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，則可以通過(guò)數(shù)字主線追溯到問(wèn)題的原始來(lái)源。

我們?cè)?/span> UDT 2024 上展示了一個(gè)用于模擬船用螺旋槳增材制造的數(shù)字線程的真實(shí)有效示例。-請(qǐng)參閱會(huì)議論文了解更多詳細(xì)信息。

結(jié)論

增材制造在船舶和近海工業(yè)中具有巨大潛力，可以幫助海軍工程師制造重量輕且易于維修的螺旋槳。仿真可幫助設(shè)計(jì)師和增材制造工藝工程師在設(shè)計(jì)階段分析增材制造部件中的殘余應(yīng)力，并優(yōu)化打印工藝以提高強(qiáng)度。

3D EXPERIENCE 平臺(tái)上的達(dá)索系統(tǒng)增材制造應(yīng)用程序?yàn)樵霾闹圃炝鞒虄?yōu)化提供了端到端解決方案。設(shè)計(jì)、流程定義和模擬在數(shù)字線程中鏈接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)從初始設(shè)計(jì)文件到最終產(chǎn)品的可追溯性。通過(guò)仿真，工程師可以確信設(shè)計(jì)滿足要求，從而可以加速測(cè)試，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，并降低測(cè)試失敗的風(fēng)險(xiǎn)。