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  • 通用汽車通過3D打印開發(fā)具有定制化剛度的輕巧連桿(轉(zhuǎn))

    閱讀次數(shù):1603     發(fā)布時間:2019-12-06

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

    根據(jù)3D科學谷的市場研究,近日通用汽車通過3D打印開發(fā)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(yōu)化

    更加輕量化

    通用汽車開發(fā)的輕質(zhì)連桿包括第一端,第二端和臂。第一端是可樞轉(zhuǎn)地連接到活塞的構(gòu)造,第二端是可樞轉(zhuǎn)地連接到曲軸的構(gòu)造。臂在第一端和第二端之間延伸。連桿的內(nèi)部區(qū)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(zhì)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(nèi)燃機中,將活塞的往復運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。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(guān)鍵部件的重量對于提高燃油經(jīng)濟性很重要。除了輕量化之外,連桿還必須表現(xiàn)出高強度和剛度的機械特征??傊?,連桿應(yīng)設(shè)計得堅固,并盡可能輕。

    增材制造可以實現(xiàn)復雜的結(jié)構(gòu),包括連桿內(nèi)部的點陣結(jié)構(gòu)。而在輕量化的連桿邊緣處,臂的側(cè)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(nèi)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(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)和自由曲面的外型。幾何形狀方面可以不斷的改變曲率,內(nèi)部點陣結(jié)構(gòu),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(jié)合有點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計的連桿的優(yōu)點在于,與實心連桿相比,它們可以設(shè)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(jié)構(gòu)。增材制造工藝可以高度控制連桿內(nèi)的局部剛度和撓曲度,通過優(yōu)化點陣晶格結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計與3D打印技術(shù)的結(jié)合是業(yè)界一個值得關(guān)注的發(fā)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(qū)金屬熔化技術(shù)結(jié)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(jù)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(tǒng)對此是難以實現(xiàn)的。

    有一些層壓板工藝可模仿常規(guī)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(xiàn)3D打印并非不可能,不過目前還是存在很多挑戰(zhàn)。

    本文轉(zhuǎn)自3D科學谷


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