3D打印碳纤维、陶瓷发动机零部件,助力超跑获得3,000马力动力 

2020-04-29 15:34 发布

3D打印新闻资讯 /[应用] /转载 3D科学谷
赛车运动是汽车工业发展的风向标。为了赢得比赛,汽车制造商会将最好的科技、材料用于参赛车辆的制造。赛车制造中所应用的制造技术总是高于同期的民用车辆,在未来部分赛车制造中所用的科技将在民用车辆制造中应用。

长期致力于赛车零部件制造与创新的Spyros Panopoulos 团队,通过其专利技术与先进材料,研发了用于极限赛车运动的涡轮增压器、叶轮、活塞等动力总成零部件。经过多年发展,在技术创新的道路上, Panopoulos 团队融入了3d打印技术与创成式设计,并通过这些技术为赛车、超级跑车减重与提升动力性能提供技术上的加持。

值得期待的是,在Panopoulos 团队开展的超级跑车开发项目中,应用了多种3D打印零部件,包括碳纤维3D打印连杆、陶瓷3D打印活塞等极具创新性的零部件,这款跑车将在2021年日内瓦车展上亮相。

本期,3D科学谷将与谷友一起抢先看来自赛车制造团队的3D打印前沿应用,并回顾民用汽车制造领域取得的3D打印应用进展。

block 追求极致的轻量化

赛车与飞机零部件制造团队Spyros Panopoulos 开展了一个超级跑车开发项目“Chaos”,该项目包括两种不同配置的超级跑车。两种版本的相同之处为,均配备4升V10铝合金发动机,发动机具有20个喷油器,40个气门,钛合金曲轴,钛/铬镍铁合金气门,以及由碳纤维和钛合金制造的大型双涡轮增压器,该涡轮增压器的涡轮由陶瓷复合材料制造。

其中一种配置的跑车安装了钛合金3D打印活塞和连杆,可加速至11,000 rpm,并具有2,000马力的动力。
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3D打印碳纤维连杆与陶瓷活塞。来源:Spyros Panopoulos

另一种配置的跑车,发动机转速提高至12,000 rpm。这款跑车安装了碳纤维连杆和3D打印的陶瓷复合材料活塞。陶瓷复合材料以高强度、重量轻、硬度和几乎完全的抗热膨胀性著称,而能够作为航天飞机制造中使用的材料。该跑车的最高功率不低于3,000马力。

根据3D科学谷的市场观察,Spyros Panopoulos 团队早在1997年就致力于制造极限赛车中的连杆、涡轮增压器、气门、发动机缸体,以及飞轮和完整发动机。使用新材料、先进制造技术以及设计方式,是他们在赛车动力总成零部件制造中保持创新活力和突破车辆极限动力的推动力。Panopoulos 团队获得了众多创新、专利技术和成就。

例如在新材料应用方面,Panopoulos 团队曾在2015年,将Tennalum合金材料用于赛车制造,这种合金具有高达700 MPa的屈服强度(比7075合金高出30%以上),良好的延展性。以及与7075相似的耐腐蚀性以及其他对高性能组件/设备设计人员有利的功能。在强度/重量比方面,Tennalum比7075高33%。
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Gen2专利技术制造的叶轮。来源:Spyros Panopoulos

Panopoulos 团队拥有涡轮增压叶轮设计与制造的专利技术-Gen2,采用该技术制造的叶轮具有10个叶片,材料为“超级合金970 mpa”,该材料比钛Ti6AL4v重量轻43%,但强度高35%。这一涡轮增压器压气机叶轮,在空气动力学方面得到了革命性的改进,其初级叶片的径向向内的部分向上扫入压气机的上部区域。得益于优化的几何形状,其性能提高了35-80%。2016年,该团队将碳纤维压缩机盖用于涡轮增压器中,并采用Gen2专利技术制造碳纤维和劳伦纤维复合材料的涡轮增压器叶轮,这些复合材料比铝轻8-10倍。

近年来,Panopoulos 展开了对下一代材料、增材制造以及创成式设计方式的研究。2019年,他们在这一领域取得了显著进展。
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3D打印碳纤维连杆。来源:Spyros Panopoulos

上图是3D打印碳纤维连杆,也是“Chaos”项目其中一款跑车中安装的连杆。下图是Panopoulos 开发设计的赛车3D打印活塞,材料包括H13不锈钢和Ti6AL4v钛合金 。
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3D打印活塞设计。来源:Spyros Panopoulos

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3D打印钛合金连杆、活塞。来源:Spyros Panopoulos

Panopoulos 团队开发了面向增材制造汽车零部件开发的创成式设计软件”anadiaplasi”,并通过anadiaplasi设计了一系列3D打印零部件,包括3D打印陶瓷、钛合金材料的连杆、活塞,以及安全性部件制动钳。
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3D打印制动钳。来源:Spyros Panopoulos

3D打印与创成式设计所实现的轻量化,是提高超级跑车动力的重要砝码之一。根据Panopoulos,其团队对首款量产跑车的减重目标是总车重小于1,150千克,每减少一公斤重量可产生超过2马力的动力,他们已为时速超过500 公里/小时的空气动力学性能做好准备,在加速度方面,他们的技术已为时间2秒内加速至100公里/小时,7秒内加速至400公里/小时做好准备。

以上仍不是“Chaos”超级跑车的全貌,预计在20201年的日内瓦车展上,将可以看到它的全部科技。除了以上这些通过anadiaplasi创成式软件设计的3D打印零部件,还将看到错综复杂的LED刹车灯阵列、3D打印钛合金排气管,碳纤维车身,以及由一种热固性材料制造的一体式底盘,这是一种可用于制造防弹衣的材料,其强度是芳纶的1.6倍。
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