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。仿真可幫助設計師和增材制造工藝工程師在設計階段分析增材制造部件中的殘余應力，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用都至關重要。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，不僅可以構建螺旋槳，而且可以高效且經濟地修復螺旋槳。

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。數字線程的可追溯性提供了仿真模型和制造數據之間的連接。

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)化參數并計算螺旋槳內部的溫度和應力，以降低故障風險并加快測試過程。該模擬是數字線程的一部分，允許可追溯性。

增材制造如何應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) 中應用特別廣泛的兩種技術是粉末床聚變 (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，并且可以旋轉至任意角度。這使得 DED 非常適合修復損壞的部件。

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構來減輕重量。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，這意味著構建的質量不僅取決于整體結構，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。這導致零件內產生復雜的殘余應力。

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），以找到最佳參數并找到強度和制造時間等之間的權衡。

實時監(jiān)控零件內的冶金變化也有助于指導質量保證。了解零件內的應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字線程解決方案

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

達索系統(tǒng)在3D EXPERIENCE 平臺上提供用于增材制造的數字主線。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 平臺上的設計軟件中完成，也可以通過導入 AM 常用的 STL 等格式的設計來完成。這是為使用CATIA數字化形狀準備應用程序進行模擬而準備的。

然后使用DELMIA材料沉積制造應用程序定義增材制造流程。這會將幾何體切成層并設置激光路徑。SIMULIA增材制造場景應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部的熱量。然后將其與機械模擬相結合，并驅動零件內靜態(tài)殘余應力的計算。

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果反映了原始流程，如果發(fā)現質量問題，則可以通過數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。仿真可幫助設計師和增材制造工藝工程師在設計階段分析增材制造部件中的殘余應力，并優(yōu)化打印工藝以提高強度。

3D EXPERIENCE 平臺上的達索系統(tǒng)增材制造應用程序為增材制造流程優(yōu)化提供了端到端解決方案。設計、流程定義和模擬在數字線程中鏈接起來，從而實現從初始設計文件到最終產品的可追溯性。通過仿真，工程師可以確信設計滿足要求，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。