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產(chǎn)業(yè)資訊

3D打印令汽車 更輕,更快

星之球科技 來(lái)源:國(guó)際金屬加工2020-08-06 我要評(píng)論(0 )   

批量生產(chǎn)的增材制造零件在汽車工業(yè)中已有出現(xiàn),比如寶馬i8Roadster跑車中的車頂鋁制支架,這是3D打印金屬零件應(yīng)用于量產(chǎn)汽車的首個(gè)案例。為了提高傳統(tǒng)燃油汽車的燃油效...

批量生產(chǎn)的增材制造零件在汽車工業(yè)中已有出現(xiàn),比如寶馬i8Roadster跑車中的車頂鋁制支架,這是3D打印金屬零件應(yīng)用于量產(chǎn)汽車的首個(gè)案例。為了提高傳統(tǒng)燃油汽車的燃油效率和電動(dòng)汽車的續(xù)航能力,汽車零部件的輕量化趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯了,用3D打印技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制造工藝,把零件結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化,這是目前受到制造商青睞的輕量化設(shè)計(jì)理念。


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布加迪Chiron跑車中的3D打印鈦合金制動(dòng)鉗。布加迪原來(lái)是一家法國(guó)公司,如今是德國(guó)大眾汽車集團(tuán)旗下的豪華汽車品牌。圖片中的制動(dòng)鉗原先是用鋁合金鍛造而成的。Ti6AI4V3D打印版本的零件較之前的版本重量減輕了約40%,而且相當(dāng)堅(jiān)固。在該零件上施加125kg/mm2的力,材料也不會(huì)出現(xiàn)裂紋。當(dāng)Chiron跑車以每小時(shí)400公里的最高速度行駛時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在9秒鐘內(nèi)讓車輛停下來(lái)。該零件重量為2.9kg,使用SLMSolutions公司出品的四激光頭500型打印機(jī)生產(chǎn),耗時(shí)約為45小時(shí)。(圖片來(lái)源:布加迪公司)


輕量化趨勢(shì)


nTopology公司的首席應(yīng)用工程師JonathanHarris強(qiáng)調(diào)了輕量化設(shè)計(jì)對(duì)汽車工業(yè)發(fā)展所起的關(guān)鍵作用?!案玫男阅?、更優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性、更高的安全性、更低的排放量,以及它們之間的綜合耦合效應(yīng),正激勵(lì)汽車制造商將輕量化設(shè)計(jì)推向新的高度?!?/p>


nTopology是一家來(lái)自紐約的軟件開發(fā)商,該公司推出了一款輕量化設(shè)計(jì)軟件工具包,工具包中集成了多種最新的CAD技術(shù),包括零件合并、保形肋板結(jié)構(gòu)生成、晶格結(jié)構(gòu)生成、拓?fù)鋬?yōu)化,設(shè)計(jì)人員可以利用這些工具進(jìn)一步減輕零件重量。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),可以將載荷均勻分布到整個(gè)零件上,從而把所需的材料量降至最低。通過(guò)這種設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)建的零件,會(huì)呈現(xiàn)出不同尋常的、類似于有機(jī)體的結(jié)構(gòu)樣貌。


傳統(tǒng)制造工藝面對(duì)復(fù)雜形狀零部件的生產(chǎn)制造常常力不從心,這就給3D打印技術(shù)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)提供了機(jī)會(huì)。


“增材制造技術(shù)讓設(shè)計(jì)工程師在零件結(jié)構(gòu)的把握上,獲得了更大的主動(dòng)權(quán)和自由度,也就是說(shuō)只要是能在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建出結(jié)構(gòu),都能得到3D打印的實(shí)物,設(shè)計(jì)師再也不需要考慮零件的鑄造工藝性是不是好,能不能在五軸機(jī)床上加工出來(lái)了?!盚arris說(shuō)道。


輕量化設(shè)計(jì)為供應(yīng)鏈助力


為了達(dá)到燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),零件的輕量化設(shè)計(jì)往往比重新開發(fā)電機(jī)或電池更可行,SLMSolutions公司的首席現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師KyleAdams表示。


Adams指出,經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)后,除了整車重量減輕外,單個(gè)零件從生產(chǎn)地到組裝地的運(yùn)輸成本也降低了。


“通過(guò)將四個(gè)或五個(gè)零件合并成一個(gè)零件,可以使供應(yīng)鏈更加緊湊,原因在于無(wú)需將五個(gè)或六個(gè)來(lái)源不同的零件運(yùn)送到同一處工廠,再組裝成一個(gè)組件,”Adams說(shuō)道,“這意味著一次運(yùn)輸?shù)牧慵?shù)量變多了,或者說(shuō),如果每次運(yùn)輸?shù)牧慵?shù)量相同的話,貨車的載重變輕了?!?/p>


增材制造的劣勢(shì)


盡管優(yōu)勢(shì)明顯,但增材制造的金屬零件距離在汽車工業(yè)中的大范圍普及和應(yīng)用,還有很長(zhǎng)的路要走。增材制造工藝過(guò)程過(guò)于耗時(shí)并且費(fèi)用昂貴,并不能適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需求。


“3D打印零件的成本取決于其制造速度,”Adams說(shuō)道,“比如對(duì)于豐田公司來(lái)說(shuō),每年要完成的凱美瑞(Camry)汽車的產(chǎn)量為50,000臺(tái),目前市面上任何3D打印設(shè)備,在面對(duì)這一數(shù)字時(shí)都無(wú)能為力。因此盡管3D打印在輕量化零件的制造方面優(yōu)勢(shì)明顯,但是生產(chǎn)效率的瓶頸不打破,它的普及就是一紙空談?!?/p>


另一個(gè)受限因素在于零件的尺寸。Adams表示:“車輛上大多數(shù)可以用3D打印出來(lái)的零件尺寸都很小,比如安全帶支架,對(duì)于這些小尺寸零件,輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)其實(shí)并不明顯?!?/p>


輕量化優(yōu)勢(shì)明顯的零件,也就是最適合用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的零件,包括車輪、制動(dòng)器和懸架組件。Adams指出:“由于汽車的驅(qū)動(dòng)力直接作用于車輪,因此即使只減輕幾克的車輪重量,效果可能比減輕幾磅的車身重量還要好?!?/p>


但是,市場(chǎng)上能制造此類大型零件的3D打印設(shè)備往往少之又少,即使找到了合適的設(shè)備,打印所花費(fèi)時(shí)長(zhǎng)也讓人望而卻步。相信隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展,更大型、功能更強(qiáng)的3D打印設(shè)備會(huì)不斷涌現(xiàn),到時(shí)會(huì)有越來(lái)越多的汽車制造商,選擇以3D打印的方式生產(chǎn)全尺寸金屬零件,并從中獲益。


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2010年,寶馬集團(tuán)首次使用了3D打印技術(shù)來(lái)制造塑料和金屬汽車零件。2018年,寶馬集團(tuán)第一次將3D打印的金屬零件用于量產(chǎn)的i8Roadster跑車中。該零件是一個(gè)鋁合金支架,其作用是將車頂篷機(jī)構(gòu)連接到車體上,制造工藝為選擇性激光熔化(SLM)。3D打印的零件比之前的設(shè)計(jì)重量減輕了44%。批量生產(chǎn)的第二個(gè)3D打印零件是下方照片中的窗戶導(dǎo)軌。(圖片來(lái)源:寶馬汽車集團(tuán))


“采用大型、快速的3D打印設(shè)備,目前零件的制造時(shí)間為1~2天,零件的重量可減少30%。相應(yīng)地,它的綜合性能會(huì)提高30%,可以說(shuō)減輕重量就等同于獲得價(jià)值?!盇dams解釋道。


影響增材制造在汽車工業(yè)中的普及程度的另一個(gè)因素是,需要對(duì)3D打印零件進(jìn)行驗(yàn)證。


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圖片中的3D打印的轉(zhuǎn)向節(jié)長(zhǎng)約600mm,是在SLM500型金屬3D打印機(jī)上制造出來(lái)的。它的制造者為德西福格汽車零部件集團(tuán),該公司表示與傳統(tǒng)的鍛造零件相比,3D打印的零件重量減輕了40%,制造時(shí)間約為55小時(shí)。(圖片來(lái)源:德西福格汽車零部件集團(tuán))


“汽車制造商每天要重復(fù)生產(chǎn)成百上千輛汽車和卡車,并且實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)可變參數(shù)都與每一輛汽車的安全系數(shù)直接關(guān)聯(lián)的?!北泵繱pee3D公司的密歇根州BentonHarbor區(qū)域副總裁兼總經(jīng)理BruceColter說(shuō)道。


“通過(guò)計(jì)算機(jī)生成設(shè)計(jì)技術(shù),會(huì)激發(fā)出許多新的輕量化的想法,經(jīng)過(guò)輕量化優(yōu)化的零件通常只能通過(guò)增材制造的方法生產(chǎn)出來(lái),”Colter說(shuō)道,“但是,這些零件在實(shí)際生產(chǎn)中的可重復(fù)性常常存疑,并且其在使用階段的安全系數(shù)也很難通過(guò)生產(chǎn)參數(shù)來(lái)界定?!?/p>


nTopology公司的首席應(yīng)用工程師JonathanHarris隨后表示:“如果您購(gòu)買了用于制造支架的金屬塊,然后對(duì)其進(jìn)行加工,金屬的剛性和抗壓特性并不會(huì)發(fā)生改變。但是,增材制造的工藝方法是在加工金屬件的同時(shí)制造支架成品,因此,金屬材料本身的特性就很難在成品出品之前被表征出來(lái)?!?br/>


“汽車制造商是無(wú)法接受將一個(gè)不確定的零件裝到汽車上的,因?yàn)橐淮握倩厥录?huì)導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)美元的損失,并且會(huì)直接影響消費(fèi)者對(duì)品牌的信任度,這會(huì)給公司造成更大的損失,”Harris說(shuō)道。


增材制造在汽車工業(yè)的未來(lái)


汽車技術(shù)的最高水準(zhǔn)無(wú)疑體現(xiàn)在賽車和限量版概念車上。之后,這些先進(jìn)的技術(shù)將逐步滲透到大眾消費(fèi)的汽車市場(chǎng)中。


“金屬增材制造和輕量化設(shè)計(jì),無(wú)疑是屬于第一梯隊(duì)的汽車技術(shù),”Adams說(shuō)道,“高端汽車供應(yīng)商已經(jīng)開始應(yīng)用這些技術(shù)了,誰(shuí)能預(yù)測(cè)五到十年之后,這些技術(shù)不會(huì)被推廣到每一輛汽車中?”


他補(bǔ)充道,盡管3D打印設(shè)備本身不便宜,但隨著打印的速度越來(lái)越快,3D打印零件的成本肯定會(huì)越來(lái)越低。


“在兩三年內(nèi),增材制造設(shè)備將會(huì)具備大批量生產(chǎn)小型零件的能力,之后在很短的時(shí)間內(nèi),也會(huì)具備生產(chǎn)大型零件的能力。無(wú)論是轉(zhuǎn)向支架還是提增效閥門,相信那時(shí)每輛車上都或多或少會(huì)裝有3D打印而成的零件?!盇dams說(shuō)道。

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