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3D打印突破传统汽车制造局限

来源:荣格-《国际汽车设计及制造》 发布时间:2021-11-02 1004
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固化和烧结是决定零部件最终性能的关键工序。

增材制造(3D打印)技术的出现,成为了多个产业迈入转型的关键推手。以汽车制造为例,一方面,传统大批量、单一品种的生产制造正在逐步向更柔性、更短开发周期的方向靠近,另一方面,面向高性能组件、“环保”驱动系统的加工也因此能够轻松驾驭。


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福特F150 皮卡(图片来源:福特)


在过去,以激光光源为核心的3D打印工艺曾为福特汽车(Ford)制造出很棒的零件,但支撑架构(以及需要通过后续步骤来去除这些架构)亦给他们带来了很大挑战,生产效率也不尽如人意。


不过,粘结剂喷射3D打印却为福特F150皮卡零部件的量产带来福音,其成功之道在于铝合金以及激光粉末床熔融(LPBF)的完美配合——粘结剂喷射生产的可重复性以及应用烧结3D打印技术处理颇具挑战性的铝材6061。这也是福特公司与粘结剂喷射技术供应商ExOne公司的工程师及材料科学家共同合作所取得的突破。


在过去,采用粘合剂喷射铝材是一项不可能的任务,但福特和金属3D打印机全球领导者ExOne公司已经率先成功实现了粘合剂喷射烧结铝材6061。之前ExOne公司就在其材料路线图中部署了铝材开发项目,后来公司与福特达成一致意见,重新绘制路线图,以加快这种材料的研发。


据介绍,整个研发持续了约一年半的时间。在此期间,福特组织了一个全力专注此项目的团队。这项技术的研发是远超3D打印范围的,因为粘合剂喷射成功后还需要进行后处理步骤。固化和烧结是决定零部件最终性能的关键工序。


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“这就是我们目前看到的一项堪称行业里程碑的技术成果——全球范围首次通过粘结剂喷射铝合金进行3D打印量产。截至目前,应用此技术量产的首个零部件仍在开发中。”福特汽车公司增材制造技术负责人Harold Sears如是说,“高速的3D打印铝材技术为我们现在刚开始关注的其他商业领域铺平了道路,因为我们可以制造复杂的铝件了。这在以前是不可能的,它必将带来其他商机。”


ExOne公司首席执行官John Hartner随后表示:“利用传统材料性能,开发一种快速、经济、简便的3D打印铝材工艺,是实现更多产品轻量化以及实现更可持续未来的关键一步。”


可以预见,增材制造某款零部件的试制阶段已经过去,其现在正迈向量产阶段。在这样的趋势影响下,整车制造商们与装备制造商、材料以及工艺供应商的深入合作有待获得更进一步的联合。

面向更环保的发动机,马勒开设增材制造中心


汽车制造中尝试增材制造在近些年尤为盛行,汽车零部件供应商马勒公司(Mahle GmbH)就在2020年与保时捷(Porsche)、通快(TRUMPF)合作开展了一个项目,从而在增材制造领域声名鹊起。该项目使用激光金属熔融技术(LMD)为保时捷911 GT2 RS高性能跑车生产铝合金活塞。


据介绍,马勒使用衍生式设计工艺开发了这种活塞,使用与传统工艺相同的专用铝合金材料,制造出的活塞比传统铸造工艺制成的活塞减重约20%。保时捷在911 GT2 TS赛车的引擎上安装了6个活塞,并让它运行了200个小时,其中135小时处于满负荷状态。


显然,测试结果令人满意,正如保时捷项目经理Frank Ickinger所说,“从技术角度来说,这为我们开启了新篇章,为设计和生产找到了新的可能性。”


需要说明的是,尽管在保时捷活塞应用上取得了成功,但马勒的工作重点并不是该公司的发动机系统和零部件运营,而是热管理、机电一体化和电子技术。这在他们随后开设的增材制造中心设立的目标上相一致——该增材制造中心在马勒位于德国斯图加特的总部,厂房占地面积约500平方米,目前有一台SLM Solutions 280,其工作行程为280×280×365 mm。材料方面,工厂正在使用的是V2A和V4A钢以及铝合金。在人员配套方面,来自各个部门的专家团队,特别是模拟和材料专家将陆续进驻。据悉,该增材制造中心将支持热管理、机电一体化和电子技术的发展,以生产“更环保的发动机”。


马勒公司董事会主席兼首席财务官Michael Frick表示,“对于汽车制造行业而言,新系统和新部件的开发速度必须比几年前快得多,尤其是在涉及二氧化碳减排和驱动系统的解决方案时。有了新的3D打印中心,马勒再一次加快了在战略领域的步伐——例如在电动汽车领域。”


目前,新中心正在开发流程,使3D打印这项技术能够基于汽车行业的严格标准进行工业系列生产。这为产品开发和制造带来了全新的可能性,因为这些工艺可以用于生产传统工艺无法制造的高性能组件。



来源:荣格-《国际汽车设计及制造》


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