保時(shí)捷里程碑式3D打印活塞背后的設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

魔猴君  行業(yè)資訊   1728天前

保時(shí)捷近日揭示了其高應(yīng)力驅(qū)動(dòng)部件里程碑式的增材制造應(yīng)用-通過粉末床選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)為911 GT2 RS雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的活塞。在這一應(yīng)用中，通過面向增材制造的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化不是唯一的目的，保時(shí)捷還通過優(yōu)化活塞的設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更強(qiáng)動(dòng)力與更高效率。本期內(nèi)容將為大家分享更多有關(guān)這一3D打印活塞所采用的面向增材制造的設(shè)計(jì)思路。

傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)

保時(shí)捷3D打印的 911 GT2 RS發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，比原來的活塞輕了10％，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高了300rpm，并增加了近30bhp的功率。高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞會(huì)因載荷和熱量而承受巨大的壓力，通常由鋁合金鑄造或鍛造而成。保時(shí)捷與馬勒（Mahle）和金屬3D打印設(shè)備制造商Trumpf 合作開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的增材制造工藝，打印材料為一種鋁合金粉末，分為1200層完成活塞的增材制造。

3D打印活塞。來源：保時(shí)捷

在進(jìn)行3D打印活塞設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用拓?fù)鋬?yōu)化軟件識別力較高的區(qū)域，以便在每個(gè)區(qū)域中使用正確數(shù)量的材料。活塞中的圓孔結(jié)構(gòu)中具有臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，其作用是防止合金由于激光的熱量而變熱時(shí)發(fā)生下垂和變形。這些支撐結(jié)構(gòu)像蜂窩一樣在活塞內(nèi)部形成，就像活塞針孔一樣，無論如何都要通過加工進(jìn)行后處理。

這一應(yīng)用案例中最具價(jià)值的設(shè)計(jì)思路是開發(fā)團(tuán)隊(duì)在活塞中采用了功能集成的設(shè)計(jì)，這也是傳統(tǒng)鑄造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)，而專門根據(jù)增材制造技術(shù)的特點(diǎn)而采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3D打印活塞開發(fā)團(tuán)隊(duì)引入了內(nèi)部冷卻管道的設(shè)計(jì)，流經(jīng)管道的冷卻油有助于在將活塞密封至氣缸的活塞環(huán)后的關(guān)鍵區(qū)域，并將活塞溫度降低20攝氏度。活塞中集成的微小3D打印噴油嘴為管道供油。這種復(fù)雜的噴油嘴也是無法使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的。開發(fā)團(tuán)隊(duì)通過軟件實(shí)現(xiàn)的“仿生”設(shè)計(jì)來增強(qiáng)強(qiáng)度，活塞的橫截面看起來與生物肌肉、筋骨等自然界形成的結(jié)構(gòu)非常相似。

根據(jù)當(dāng)前項(xiàng)目的需要，3D打印活塞開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以在12小時(shí)內(nèi)制造5個(gè)活塞，預(yù)計(jì)使用更高效的3D打印設(shè)備可將數(shù)量增加到15個(gè)。目前已有六個(gè)活塞在911 GT2 RS發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了測試，運(yùn)行了200小時(shí)。

3D打印活塞的開發(fā)還需要更多技術(shù)來確保質(zhì)量一致性，但保時(shí)捷表示該技術(shù)可在未來五年內(nèi)用于批量生產(chǎn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，保時(shí)捷正在通過增材制造技術(shù)嘗試更多的動(dòng)力總成零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化的可能性，例如開發(fā)渦輪增壓器的3D打印中間冷卻器，以改善冷卻流量和表面積，該組件還可以在帶有集成式油冷卻器的電動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)器上工作。