3D打印碳纖維、陶瓷發(fā)動機零部件，助力超跑獲得3,000馬力動力
魔猴君 行業(yè)資訊 1637天前
賽車運動是汽車工業(yè)發(fā)展的風向標。為了贏得比賽，汽車制造商會將最好的科技、材料用于參賽車輛的制造。賽車制造中所應用的制造技術總是高于同期的民用車輛，在未來部分賽車制造中所用的科技將在民用車輛制造中應用。
長期致力于賽車零部件制造與創(chuàng)新的Spyros Panopoulos 團隊，通過其專利技術與先進材料，研發(fā)了用于極限賽車運動的渦輪增壓器、葉輪、活塞等動力總成零部件。經(jīng)過多年發(fā)展，在技術創(chuàng)新的道路上， Panopoulos 團隊融入了3D打印技術與創(chuàng)成式設計，并通過這些技術為賽車、超級跑車減重與提升動力性能提供技術上的加持。
值得期待的是，在Panopoulos 團隊開展的超級跑車開發(fā)項目中，應用了多種3D打印零部件，包括碳纖維3D打印連桿、陶瓷3D打印活塞等極具創(chuàng)新性的零部件，這款跑車將在2021年日內瓦車展上亮相。本期，將與網(wǎng)友一起搶先看來自賽車制造團隊的3D打印前沿應用，并回顧民用汽車制造領域取得的3D打印應用進展。
追求極致的輕量化
賽車與飛機零部件制造團隊Spyros Panopoulos 開展了一個超級跑車開發(fā)項目“Chaos”，該項目包括兩種不同配置的超級跑車。兩種版本的相同之處為，均配備4升V10鋁合金發(fā)動機，發(fā)動機具有20個噴油器，40個氣門，鈦合金曲軸，鈦/鉻鎳鐵合金氣門，以及由碳纖維和鈦合金制造的大型雙渦輪增壓器，該渦輪增壓器的渦輪由陶瓷復合材料制造。
其中一種配置的跑車安裝了鈦合金3D打印活塞和連桿，可加速至11,000 rpm，并具有2,000馬力的動力。
3D打印碳纖維連桿與陶瓷活塞。來源：Spyros Panopoulos
另一種配置的跑車，發(fā)動機轉速提高至12,000 rpm。這款跑車安裝了碳纖維連桿和3D打印的陶瓷復合材料活塞。陶瓷復合材料以高強度、重量輕、硬度和幾乎完全的抗熱膨脹性著稱，而能夠作為航天飛機制造中使用的材料。該跑車的最高功率不低于3,000馬力。Spyros Panopoulos 團隊早在1997年就致力于制造極限賽車中的連桿、渦輪增壓器、氣門、發(fā)動機缸體，以及飛輪和完整發(fā)動機。使用新材料、先進制造技術以及設計方式，是他們在賽車動力總成零部件制造中保持創(chuàng)新活力和突破車輛極限動力的推動力。Panopoulos 團隊獲得了眾多創(chuàng)新、專利技術和成就。
例如在新材料應用方面，Panopoulos 團隊曾在2015年，將Tennalum合金材料用于賽車制造，這種合金具有高達700 MPa的屈服強度（比7075合金高出30％以上），良好的延展性。以及與7075相似的耐腐蝕性以及其他對高性能組件/設備設計人員有利的功能。在強度/重量比方面，Tennalum比7075高33％。
Gen2專利技術制造的葉輪。來源：Spyros Panopoulos
Panopoulos 團隊擁有渦輪增壓葉輪設計與制造的專利技術-Gen2，采用該技術制造的葉輪具有10個葉片，材料為“超級合金970 mpa”，該材料比鈦Ti6AL4v重量輕43％，但強度高35％。這一渦輪增壓器壓氣機葉輪，在空氣動力學方面得到了革命性的改進，其初級葉片的徑向向內的部分向上掃入壓氣機的上部區(qū)域。得益于優(yōu)化的幾何形狀，其性能提高了35-80％。2016年，該團隊將碳纖維壓縮機蓋用于渦輪增壓器中，并采用Gen2專利技術制造碳纖維和勞倫纖維復合材料的渦輪增壓器葉輪，這些復合材料比鋁輕8-10倍。
近年來，Panopoulos 展開了對下一代材料、增材制造以及創(chuàng)成式設計方式的研究。2019年，他們在這一領域取得了顯著進展。
3D打印碳纖維連桿。來源：Spyros Panopoulos
上圖是3D打印碳纖維連桿，也是“Chaos”項目其中一款跑車中安裝的連桿。下圖是Panopoulos 開發(fā)設計的賽車3D打印活塞，材料包括H13不銹鋼和Ti6AL4v鈦合金 。
3D打印活塞設計。來源：Spyros Panopoulos
3D打印鈦合金連桿、活塞。來源：Spyros Panopoulos
Panopoulos 團隊開發(fā)了面向增材制造汽車零部件開發(fā)的創(chuàng)成式設計軟件”anadiaplasi”，并通過anadiaplasi設計了一系列3D打印零部件，包括3D打印陶瓷、鈦合金材料的連桿、活塞，以及安全性部件制動鉗。
3D打印制動鉗。來源：Spyros Panopoulos
3D打印與創(chuàng)成式設計所實現(xiàn)的輕量化，是提高超級跑車動力的重要砝碼之一。根據(jù)Panopoulos，其團隊對首款量產(chǎn)跑車的減重目標是總車重小于1,150千克，每減少一公斤重量可產(chǎn)生超過2馬力的動力，他們已為時速超過500 公里/小時的空氣動力學性能做好準備，在加速度方面，他們的技術已為時間2秒內加速至100公里/小時，7秒內加速至400公里/小時做好準備。
以上仍不是“Chaos”超級跑車的全貌，預計在20201年的日內瓦車展上，將可以看到它的全部科技。除了以上這些通過anadiaplasi創(chuàng)成式軟件設計的3D打印零部件，還將看到錯綜復雜的LED剎車燈陣列、3D打印鈦合金排氣管，碳纖維車身，以及由一種熱固性材料制造的一體式底盤，這是一種可用于制造防彈衣的材料，其強度是芳綸的1.6倍。
雖然，汽車制造領域對于3D打印技術的應用存在著質疑的聲音，制約3D打印走向汽車零部件批量生產(chǎn)的挑戰(zhàn)也尚未完全被克服。但是有一批勇于嘗試新技術的企業(yè)，在對未來存在不確定性的請況下，不斷的優(yōu)化增材制造技術解決方案，他們在增材制造設計、材料性能及成本、打印質量與效率等方面，推動3D打印技術在汽車零部件制造應用中快速發(fā)展。有機構歸納了以下具有代表性的5個方面：
來源：3D科學谷
l 批量生產(chǎn)中的經(jīng)濟可行性
EDAG與西門子的合作達到了一個重要的里程碑，EDAG最近展示了與西門子數(shù)字工業(yè)公司合作開發(fā)的3D打印主動冷卻劑分配器，并首次安裝在“EDAG SCALEbat”電池外殼中。
3D打印冷卻劑分配器。來源：EDAG
借助西門子的Siemens CFD拓撲優(yōu)化軟件，與傳統(tǒng)設計方法相比，冷卻劑分配器將壓力損失減少了22％。由于產(chǎn)品性能獲得的明顯提升，這款冷卻劑分配器如同GE所規(guī)模生產(chǎn)的噴油嘴一樣，面臨著產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需求。
將惠普的工業(yè)級HP Jet Fusion 5200 3D打印設備集成到西門子的數(shù)字企業(yè)解決方案中，可以比以前更快，更經(jīng)濟，更可持續(xù)地生產(chǎn)這種冷卻劑分配器。而基于高達30萬件的規(guī)?；a(chǎn)概念證明了在批量生產(chǎn)中通過3D打印制造零部件的經(jīng)濟可行性。
l 優(yōu)化設計與擺放方式，提高打印效率
寶馬i8 Roadster 在頂棚支架制造中使用了粉末床金屬激光熔化3D打印技術，該技術隨著 i8 Roadster 而進入到了量產(chǎn)階段。
i8 Roadster 頂棚支架
根據(jù)寶馬的增材制造合作伙伴SLM Solutions, 3D打印支架的材料為鋁合金，設計時采用了拓撲優(yōu)化，其重量比原來的注塑支架還要輕44%，但剛度提升至原來的10倍。寶馬還對3D打印支架的支撐與擺放方式進行了優(yōu)化，在一個基板上可打印的支架從最初的51個，達到了238個，顯著提高了增材制造效率。
l 多種技術，滿足不同車輛的生產(chǎn)需求
寶馬有一款創(chuàng)新性的汽車水泵，與標準水泵類似的是，水輪使冷卻液通過發(fā)動機和整流器循環(huán)，將燃燒過程中產(chǎn)生的熱量消散。但不同之處是，這個水輪采用整體式設計，優(yōu)點是重量輕，并具有更高的性能。
來源：Desktop Metal
寶馬在賽車中使用了通過選區(qū)激光熔化3D打印技術制造的一體化水輪。但這一應用的制造成本高于民用車輛生產(chǎn)的需求，寶馬后來采用了Desktop Metal 的生產(chǎn)級粘結劑噴射3D打印技術，對于民用車輛零部件制造而言，更具有經(jīng)濟性。這類設備同一次打印最高可實現(xiàn)150個水輪的生產(chǎn)，單件成本約5美元。
l 安全性部件創(chuàng)新
2018年布加迪發(fā)布了其通過帶有四激光器的選擇性激光熔融3D打印技術所制造的世界首個3D打印的新型八活塞整體式制動鉗。而近日，布加迪對3D打印的新型八活塞整體式制動鉗進行了令人嘆為觀止的性能測試。
測試中的布加迪3D打印制動鉗
迄今為止用于汽車零部件增材制造生產(chǎn)的主要材料是鋁，而布加迪新的制動鉗由鈦制成。布加迪是與德國漢堡的Laser Zentrum Nord合作實現(xiàn)的，Laser Zentrum Nord中心自2018年初以來成為粉末床激光熔融領域的專家Fraunhofer弗勞恩霍夫研究所的一部分。
值得一提的是，布加迪通過粉末床激光熔融3D打印技術來制造新型八活塞整體式制動鉗并不是僅僅用于原型，布加迪所進行的性能測試更是進一步揭示了這一創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)化前景，3D打印鈦制動鉗將應用于批量生產(chǎn)的車輛。
l 輕型、更高強度的新材料
德國汽車領域的工程企業(yè)EDAG聯(lián)合材料、科研、增材制造、仿真領域的八家合作伙伴，正在開發(fā)一款具有更高強度和更高的斷裂延伸率的輕型防撞3D打印鋁合金材料-CustAlloy?。
用輕型防撞鋁合金材料3D打印的汽車零件。來源：EDAG
EDAG表示，CustAlloy?在強度、延展性、防腐蝕性等方面滿足汽車行業(yè)的要求，并將成為一款適合汽車輕量化、防碰撞零部件批量生產(chǎn)的3D打印材料。EDAG 針對這款材料開發(fā)的增材制造工藝和經(jīng)過實踐檢驗的仿真模擬方法，都是幫助用戶使用這款材料進行零部件批量生產(chǎn)的有效工具。
來源：3D科學谷
