保時捷里程碑式3D打印活塞背后的設計優(yōu)化思路

魔猴君  行業(yè)資訊   1601天前

保時捷近日揭示了其高應力驅(qū)動部件里程碑式的增材制造應用-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)動機生產(chǎn)的活塞。在這一應用中，通過面向增材制造的設計實現(xiàn)輕量化不是唯一的目的，保時捷還通過優(yōu)化活塞的設計使發(fā)動機獲得更強動力與更高效率。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計思路。

傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的設計

保時捷3D打印的 911 GT2 RS發(fā)動機活塞，比原來的活塞輕了10％，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高了300rpm，并增加了近30bhp的功率。高性能發(fā)動機中的活塞會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。保時捷與馬勒（Mahle）和金屬3D打印設備制造商Trumpf 合作開發(fā)了發(fā)動機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：保時捷

在進行3D打印活塞設計過程中，開發(fā)團隊使用拓撲優(yōu)化軟件識別力較高的區(qū)域，以便在每個區(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行后處理。

這一應用案例中最具價值的設計思路是開發(fā)團隊在活塞中采用了功能集成的設計，這也是傳統(tǒng)鑄造技術(shù)無法實現(xiàn)，而專門根據(jù)增材制造技術(shù)的特點而采取的優(yōu)化設計。3D打印活塞開發(fā)團隊引入了內(nèi)部冷卻管道的設計，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?；钊屑傻奈⑿?D打印噴油嘴為管道供油。這種復雜的噴油嘴也是無法使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的。開發(fā)團隊通過軟件實現(xiàn)的“仿生”設計來增強強度，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)當前項目的需要，3D打印活塞開發(fā)團隊可以在12小時內(nèi)制造5個活塞，預計使用更高效的3D打印設備可將數(shù)量增加到15個。目前已有六個活塞在911 GT2 RS發(fā)動機中進行了測試，運行了200小時。

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)動機。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，保時捷正在通過增材制造技術(shù)嘗試更多的動力總成零部件設計優(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軸驅(qū)動器上工作。