通用汽車通過3D打印開發具有定制化剛度的輕巧連桿(轉)

閱讀次數:303     發布時間:2019-12-06

雖然我們大多認為3D打印在新能源汽車領域擁有廣闊的前景,似乎將3D打印與傳統汽車的結合點并不多見,然而在內燃機方面,汽車廠也在進行著積極的嘗試。

根據3D科學谷的市場研究,近日通用汽車通過3D打印開發了一種具有定制化剛度的輕巧連桿。

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強度與剛度的優化

更加輕量化

通用汽車開發的輕質連桿包括第一端,第二端和臂。第一端是可樞轉地連接到活塞的構造,第二端是可樞轉地連接到曲軸的構造。臂在第一端和第二端之間延伸。連桿的內部區域包括由點陣填充的輕量化空間。

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材料方面臂可以由鋁合金、鈦合金及其金屬材料組合制造。與使用鋼相比,使用鈦或鋁可減少30%的質量,也可以使用金屬基復合材料或非金屬材料,例如碳纖維復合材料。

連桿用于內燃機中,將活塞的往復運動轉換為旋轉運動當活塞在動力沖程下移時,連桿作用在曲軸上以使其旋轉。在車輛行駛過程中,曲軸的端部連接至變速器,因而減輕車輛關鍵部件的重量對于提高燃油經濟性很重要。除了輕量化之外,連桿還必須表現出高強度和剛度的機械特征??傊?,連桿應設計得堅固,并盡可能輕。

增材制造可以實現復雜的結構,包括連桿內部的點陣結構。而在輕量化的連桿邊緣處,臂的側面以基本上直角的角度匯合在一起,邊緣可以是圓形的。倒圓的邊緣在減小連桿的阻力方面特別有利,因為連桿在內燃機中以很大的速度往復運動。倒圓的邊緣在減小拐角處的應力集中和改善疲勞壽命方面特別有利。

增材制造特別適合于形成復雜的幾何形狀,3D打印的連桿可以具有高度復雜的內部結構和自由曲面的外型。幾何形狀方面可以不斷的改變曲率,內部點陣結構,通道截面的幾何形狀等。此外,在整個連桿中,諸如密度(空隙),重量,強度,剛度,撓度和材料成分等特性可以改變。

結合有點陣結構設計的連桿的優點在于,與實心連桿相比,它們可以設計成具有高強度和高剛度的零件同時卻擁有較輕的重量。通過增材制造形成的連桿可以是整體成型的單件一體化的整體結構。增材制造工藝可以高度控制連桿內的局部剛度和撓曲度,通過優化點陣晶格結構設計,可以改善連桿的強度和剛度。

 

3D科學谷

Review

連桿的輕量化設計與3D打印技術的結合是業界一個值得關注的發展方向。就文中提到的材料方面來說,以3D科學谷的市場觀察,目前以粉末床選區金屬熔化技術結合HIP熱等靜壓后處理方式加工鈦合金Ti6Al4V材料的效果很好。

文中提到了碳纖維復合材料,根據3D科學谷的市場研究,目前盡管碳纖維復合材料的原型制作非常出色,而且在XY方面都非常堅固,但需要考慮材料是否完全致密且完全各向同性,目前基于擠出的3D打印系統對此是難以實現的。

有一些層壓板工藝可模仿常規的碳纖維預浸料板進行鋪層制造,但又不是各向同性的。雖然混合有短切碳纖維材料的塑料包括PEEK或者Ultem來實現3D打印并非不可能,不過目前還是存在很多挑戰。

本文轉自3D科學谷


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