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金属3D打印​在汽车轻量化方面的应用:从材料到结构

金属3D打印在汽车轻量化方面的应用:从材料到结构

轻量化的实现途径主要有三大方面:一是材料的优化设计和应用;二是产品结构的优化设计;三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成以实现终产品的轻量化制造,而这其中产品结构优化设计和材料的优化设计具有广大的研究和开发空间。本期我们讨论的重点是3D打印轻量化制造的部分,材料和工艺。

轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化,指的是在满足机械性能要求的前提下,通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前的轻量化材料中,钢铁仍然保持主导地位,但钢铁材料的比例逐年下降,铝合金、钛合金、镁合金、工程塑料、复合材料等材料比例逐渐增加。这些材料在汽车制造领域的应用尤其广泛,我们讨论的重点也在该领域。

▌金属轻量化材料

1. 铝合金

汽车上常见的合金材料大多为铝合金、镁合金。其中铝合金是现阶段应用广、为常见的汽车轻量化材料,曾有研究表明铝合金在整车中多可以使用540kg,这样的情况下汽车将减重40%,奥迪、丰田等的全铝车身就是很好的例子。

目前铝合金3D打印材料种类主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等,其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流。针对AlSi系列合金的力学性能不高,无法满足高强度要求的现状,目前开发出的高强铝合金有空客的Scalmalloy、英国铸造公司Aeromet International的A20X、长沙新材料产业研究院的AlMgSc系以及苏州倍丰的Al250C等。

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奔驰汽车3D打印的铝合金恒温器盖

2017年,梅赛德斯-奔驰在制造业转型中迈出了重要一步:使用3D打印技术生产金属部件,其中就包括采用铸铝合金3D打印的奔驰卡车的恒温器。不仅如此,梅赛德斯-奔驰表示,该环节通过了所有严格的质量测试。

2. 钛合金

钛合金的主要优点是低密度、高强度密度比和优异的耐腐蚀性,另外即使在温度升至500°C时仍能保持很高的强度。钛合金用于汽车与钢、铝合金以及镁合金相比的主要缺点是成本高,但其在汽车其他方面的应用具有轻量化的潜力,可用于制造悬架弹簧、排气系统等部件。

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采用3D打印制造的布加迪跑车钛合金卡钳重量由4.9公斤减少至2.9公斤

一个典型案例是布加迪对传统的刹车盘的设计优化,其采用高强钛合金代替传统铸铝,虽然材料的密度有所提高,但材料性能得到大幅提升,配合结构设计,终通过3D打印制造的卡钳重量减轻了40%。除此之外,钛合金作为一种高强轻量化材料,在航空航天领域具有极大的应用空间。

3. 镁合金

镁合金也是一种强度较大的合金材料,现阶段我们可以在汽车轮毂、离合器等部件上看到它的身影,尽管它比铝合金更轻,但在汽车上的用量却很少,从目前来看世界一流的汽车上镁合金用量也仅为10kg,而自主品牌汽车镁合金用量则更少,仅为3kg左右。想要大规模的使用镁合金,还需在技术和成本上有所突破。关于镁合金的3D打印应用,目前多见于研究,公开报道的案例非常少见。

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镁合金在汽车中的应用


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