谷研究 l 通用汽车通过3D打印开发具有定制化刚度的轻巧连杆

虽然我们大多认为3D打印在新能源汽车领域拥有广阔的前景,似乎将3D打印与传统汽车的结合点并不多见,然而在内燃机方面,汽车厂也在进行着积极的尝试。

根据3D科学谷的市场研究,近日通用汽车通过3D打印开发了一种具有定制化刚度的轻巧连杆。

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block 强度与刚度的优化,更加轻量化

通用汽车开发的轻质连杆包括第一端,第二端和臂。第一端是可枢转地连接到活塞的构造,第二端是可枢转地连接到曲轴的构造。臂在第一端和第二端之间延伸。连杆的内部区域包括由点阵填充的轻量化空间。

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材料方面臂可以由铝合金、钛合金及其金属材料组合制造。与使用钢相比,使用钛或铝可减少30%的质量,也可以使用金属基复合材料或非金属材料,例如碳纤维复合材料。

连杆用于内燃机中,将活塞的往复运动转换为旋转运动当活塞在动力冲程下移时,连杆作用在曲轴上以使其旋转。在车辆行驶过程中,曲轴的端部连接至变速器,因而减轻车辆关键部件的重量对于提高燃油经济性很重要。除了轻量化之外,连杆还必须表现出高强度和刚度的机械特征。总之,连杆应设计得坚固,并尽可能轻。

增材制造可以实现复杂的结构,包括连杆内部的点阵结构。而在轻量化的连杆边缘处,臂的侧面以基本上直角的角度汇合在一起,边缘可以是圆形的。倒圆的边缘在减小连杆的阻力方面特别有利,因为连杆在内燃机中以很大的速度往复运动。倒圆的边缘在减小拐角处的应力集中和改善疲劳寿命方面特别有利。

增材制造特别适合于形成复杂的几何形状,3D打印的连杆可以具有高度复杂的内部结构和自由曲面的外型。几何形状方面可以不断的改变曲率,内部点阵结构,通道截面的几何形状等。此外,在整个连杆中,诸如密度(空隙),重量,强度,刚度,挠度和材料成分等特性可以改变。

结合有点阵结构设计的连杆的优点在于,与实心连杆相比,它们可以设计成具有高强度和高刚度的零件同时却拥有较轻的重量。通过增材制造形成的连杆可以是整体成型的单件一体化的整体结构。增材制造工艺可以高度控制连杆内的局部刚度和挠曲度,通过优化点阵晶格结构设计,可以改善连杆的强度和刚度。

block 3D科学谷Review

连杆的轻量化设计与3D打印技术的结合是业界一个值得关注的发展方向。就文中提到的材料方面来说,以3D科学谷的市场观察,目前以粉末床选区金属熔化技术结合HIP热等静压后处理方式加工钛合金Ti6Al4V材料的效果很好

文中提到了碳纤维复合材料,根据3D科学谷的市场研究,目前尽管碳纤维复合材料的原型制作非常出色,而且在XY方面都非常坚固,但需要考虑材料是否完全致密且完全各向同性,目前基于挤出的3D打印系统对此是难以实现的。

有一些层压板工艺可模仿常规的碳纤维预浸料板进行铺层制造,但又不是各向同性的。虽然混合有短切碳纤维材料的塑料包括PEEK或者Ultem来实现3D打印并非不可能,不过目前还是存在很多挑战。

参考资料:US10487868B2

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