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)計師和增材制造工藝工程師在設(shè)計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度。

螺旋槳的強度和完整性對于任何海洋應(yīng)用都至關(guān)重要。螺旋槳的損壞會嚴重影響船舶的速度和機動性。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)濟地修復(fù)螺旋槳。

在工業(yè)工作流程中實施增材制造之前，工程師必須確信制造的零件將滿足要求和規(guī)格。仿真可以計算和分析零件在現(xiàn)實條件下的性能，但要利用這一點，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，我們將介紹達索系統(tǒng) 3D?EXPERIENCE 平臺上的增材制造工作流程。該工作流程使用仿真來優(yōu)化參數(shù)并計算螺旋槳內(nèi)部的溫度和應(yīng)力，以降低故障風險并加快測試過程。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)？

美國測試與材料協(xié)會 (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，在 DED 中，直接能源會逐層熔化材料。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 項目中的螺旋槳方面展示了可喜的成果。維護是增材制造的一個特殊優(yōu)勢——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堅固的空心結(jié)構(gòu)來減輕重量。這有助于減少燃料消耗，從而降低運營成本并提高可持續(xù)性。

仿真如何幫助增材制造過程？

增材制造是一個動態(tài)過程，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。當零件冷卻時，熱膨脹導致其收縮。這導致零件內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力。

仿真可用于對隨時間變化的增材制造過程進行建模。這揭示了殘余應(yīng)力并幫助工程師識別潛在的故障點?？梢员容^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)并找到強度和制造時間等之間的權(quán)衡。

實時監(jiān)控零件內(nèi)的冶金變化也有助于指導質(zhì)量保證。了解零件內(nèi)的應(yīng)力有助于確定測試目標，也使工程師更有信心零件將通過測試。這加速了原型設(shè)計階段并縮短了開發(fā)周期，從而節(jié)省了時間和金錢。

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

達索系統(tǒng)在3D EXPERIENCE 平臺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 平臺上的設(shè)計軟件中完成，也可以通過導入 AM 常用的 STL 等格式的設(shè)計來完成。這是為使用CATIA數(shù)字化形狀準備應(yīng)用程序進行模擬而準備的。

然后使用DELMIA材料沉積制造應(yīng)用程序定義增材制造流程。這會將幾何體切成層并設(shè)置激光路徑。SIMULIA增材制造場景應(yīng)用程序隨后使用它來建模 AM 流程。瞬態(tài)傳熱分析可計算激光束移動時零件內(nèi)部的熱量。然后將其與機械模擬相結(jié)合，并驅(qū)動零件內(nèi)靜態(tài)殘余應(yīng)力的計算。

在整個過程中，每個步驟之間都有直接的、可追溯的聯(lián)系。每個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)量問題，則可以通過數(shù)字主線追溯到問題的原始來源。

我們在 UDT 2024 上展示了一個用于模擬船用螺旋槳增材制造的數(shù)字線程的真實有效示例。-請參閱會議論文了解更多詳細信息。

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)計師和增材制造工藝工程師在設(shè)計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度。

3D EXPERIENCE 平臺上的達索系統(tǒng)增材制造應(yīng)用程序為增材制造流程優(yōu)化提供了端到端解決方案。設(shè)計、流程定義和模擬在數(shù)字線程中鏈接起來，從而實現(xiàn)從初始設(shè)計文件到最終產(chǎn)品的可追溯性。通過仿真，工程師可以確信設(shè)計滿足要求，從而可以加速測試，從而縮短開發(fā)時間和成本，并降低測試失敗的風險。