積層製造（Additive manufacturing, AM）在海洋和近海產業中具有巨大的潛力，能幫助船舶工程師製造出輕量且易於維修的螺旋槳。模擬技術可以幫助設計師和積層製造過程工程師在設計階段分析積層製造零件中的殘餘應力，並優化列印過程以提高強度。
引言
螺旋槳的強度和完整性對於任何海洋應用來說都是非常重要的。螺旋槳的損壞會明顯影響船隻的速度和機動性。積層製造，尤其是積層弧銲製造（wire-arc additive manufacturing, WAAM）技術，不僅成為構建螺旋槳的方式，也成為高效且具成本效益的修復方法。
在將積層製造（Additive manufacturing, AM）應用於工業流程之前，工程師必須確信製造的零件能夠符合要求和規範。模擬可以計算並分析零件在現實條件下的性能，但要充分利用這一點，工程師必須確保模擬模型與最終零件一致。數位線程（digital thread）的可追溯性提供了模擬模型與製造數據之間的連接。
在這篇文章中，我們將介紹在Dassault Systèmes 3DEXPERIENCE平台上的積層製造工作流程。這個流程利用模擬來改良參數，計算螺旋槳內部的溫度和應力，從而減少失敗風險並加快測試過程。這種模擬是數位線程的一部分，允許可追溯性。
積層製造在海洋和近海產業中的應用
美國材料試驗協會（American Society for Testing and Materials, ASTM）定義了七種類型的積層製造。其中兩種在海洋和近海（marine & offshore, M&O）產業中廣泛使用的是粉床熔融（powder bed fusion, PBF）和直接能量沉積（directed energy deposition, DED）。在PBF中，零件由金屬粉末顆粒逐層構建，這些粉末由雷射熔化。而在DED中，一個直接的能量源逐層熔化材料。噴頭被加入粉末或金屬線，並且可以旋轉到任何角度。這使得DED非常適合修復損壞的部件。
DED，尤其是積層弧銲製造（WAAM）方法，已在多個專案計畫中顯示出對螺旋槳的良好效果。在維護上是AM的一大優勢——如果螺旋槳在使用中受損，損壞的部分可以被磨去並重新列印。AM還可以利用強壯的中空結構來減輕重量。這有助於降低燃料消耗，從而減少運營成本並提高可持續性。
模擬如何幫助積層製造過程？
積層製造是一個動態過程，這意味著構建的品質不僅取決於整體結構，還取決於每一層材料在不同冷卻階段與上下層的相互作用。隨著零件冷卻，熱膨脹會使其收縮，導致零件內部產生複雜的殘餘應力。
模擬可用來隨時間對AM過程進行建模。這揭示了殘餘應力，幫助工程師識別潛在的失敗點。不同的AM過程可以進行比較，例如不同的工具路徑或速度，以找到最佳參數，並在強度和製造時間之間找到平衡點。
對零件內部冶金變化的實時監控也可以幫助品質穩定。了解零件內部的應力有助於針對測試，並且使工程師對零件通過測試更有信心。這加快了原型製作階段並縮短了開發週期，節省了時間和金錢。
積層製造模擬的數位線程解決方案
AM螺旋槳設計週期中有幾個不同的任務，包括零件本身的3D CAD設計、AM過程的定義以及模擬和分析。這些都可以通過“數位線程（digital thread）”連接起來——一個整合的工作流程，其中數據在各個任務之間共享，所有利益相關者都在單一的真實來源上工作，共同使用數位模型。
Dassault Systèmes在3DEXPERIENCE平台上提供了積層製造的數位線程。螺旋槳或其他零件最初是在CAD工具中創建的。這可以直接在3DEXPERIENCE平台上的設計軟體中完成，也可以通過常用於AM的STL格式導入設計。然後使用CATIA Digitized Shape Preparation應用程式為模擬做好準備。
接下來，使用DELMIA Material Deposition Fabrication應用程式定義AM過程。這個應用程式將幾何圖形切片成多層，並設置雷射路徑。然後，SIMULIA Additive Manufacturing Scenario應用程式利用這些資訊對AM過程進行建模。瞬態熱傳遞分析（Transient heat transfer analysis）計算雷射光束移動時零件內部的熱量，這進而與機械模擬耦合，推動零件內部靜態殘餘應力的計算。
在這個過程中，每個步驟之間有直接且可追溯的連接。每個階段的輸入是前一階段的輸出，並且保留了重要的上下文信息。用戶可以確信最終結果反映了原始過程，如果發現品質問題，可以沿著數位線程追溯到其源頭。
我們在UDT 2024上展示了使用數位線程模擬航海螺旋槳積層製造的實際案例。詳細信息請參閱會議紀錄。
結論
積層製造在海洋和近海產業中具有巨大的潛力，能幫助船舶工程師製造出輕量且易於維修的螺旋槳。模擬技術幫助設計師和積層製造過程工程師在設計階段分析積層製造零件中的殘餘應力，並改善列印過程以提高強度。
Dassault Systèmes在3DEXPERIENCE平台上的積層製造應用程式提供了端到端的解決方案來改善積層製造過程。設計、過程定義和模擬通過數位線程連接，允許從初始設計檔案到最終產品的全程可追溯性。通過模擬，工程師可以確信設計能夠符合要求，從而加速測試，縮短開發時間和成本，並減少測試失敗的風險。
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原文轉載來自Wouter Van Der Velden – Simulation for Additive Manufacturing of a Marine Propeller
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