3D打印钛合金轻量化汽车轮毂

2020-5-25 10:02 610 0 来自: 汽车轻量化CFRP
简介
【汽车轻量化在线】这种名为“激光立体成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印技术通过激光融化金属粉末,几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是,使用的材料为金属,“打印”的产品具有极高的力学 ...
汽车轻量化在线】这种名为“激光立体成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印技术通过激光融化金属粉末,几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是,使用的材料为金属,“打印”的产品具有极高的力学性能,能满足航空航天、模具、汽车、医学、齿科、工艺品等不同行业的需求。

  3D打印技术可以追溯到1984年, Charles Hull最早开发出从数字数据打印出3D物体的技术并在2年后开发出第一台商业3D印刷机。随后在整个90年代不断完善了其基本技术和规范,并在21世纪出投入了应用。

  钛是一种密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金的材料,被广泛用于航天航空业。美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年,美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成形技术的研究,并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术,并在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机试验。

  然而,因为在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年,美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没有实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,目前只能进行小尺寸钛合金部件的打印和钛合金零件表面修复。

在3D打印技术中,飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是高端发展形势。作为最早开发钛合金3D打印技术的国家,1985年,美国就在五角大楼的主导下秘密开启了钛合金激光成形技术的研究,并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术,在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机进行试验。

  2013年1月14日,美国著名的电子束、等离子弧及电阻焊接设备制造商Sciaky公司宣布,他们已经成功掌握了使用电子束进行钛合金3D打印的制造技术。这项技术将被用于生产美国第五代隐形战斗机F-35的多个零件。

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   传统的金属加工主要是做“减”法。原材料通过切割、磨削、腐蚀、熔融等工序,除去多余部分形成零部件,然后被拼装、焊接成产品。这一过程中,将有90%的原材料被浪费掉。3D打印技术除了能够提升产品的研发速度,还能大幅降低造价成本。

  作为全世界最贵最精密的战机,美国F-35联合攻击战机每架售价至少1.5亿美元。相较于传统制造方式,3D新技术制造的产品成本更低、寿命也更长。如果3000多架战机都使用这种技术制造部件,将可以节省数十亿美元的成本。

        传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造,但重量较大且无法加工成精细的形状。锻造切削虽然精度较好,美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框。但是零件制造浪费严重,原料的95%都会被作为废料切掉,而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制:3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件,即使世界上最大的8万吨水压机,锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件,而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。

  激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题,由于采用叠加技术,它节约了90%十分昂贵的原材料,加之不需要制造专用的模具,原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件,粗略估计,传统工艺的成本大约是2500万元,而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右,其成本仅是传统工艺的5%。

  更重要的是,许多复杂结构的钛合金构建可以通过3D打印的方式一体成型,不仅节省了工时,还大大提高了材料强度。F-22的钛合金锻件如果使用3D打印技术制造,在强度相当的情况下,重量最多可以减少40%。

在汽车工业中,轮毂通常使用CNC加工生产,一块单轮从100磅重的铝块上雕刻而成,去除了80%的材料。HRE wheel公司和GE Additive的AddWorks合作开发了钛合金3D打印工艺,制造这款新轮毂的材料仅有5%的废弃率并且可以回收再利用。

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        轮毂使用Arcam Q10和Q20电子束熔化(EBM)3D打印系统,以钛合金材料制成。这个项目被HRE和GE Additive称作“HRE3D +项目”。拜占庭轮毂总共由七个独立的部分组成,包括五个辐条、一个碳纤维轮辋和一个中心部件。车轮的各个部件通过钛合金紧固件组装成整体。

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Arcam Q20电子束熔化(EBM)3D打印系统

        该项目一共制作了两种不同尺寸的车轮,一是前轮,尺寸为20 x 9英寸,再一个是后轮,尺寸为21 x 12.5英寸。车轮安装在混合动力的迈凯轮P1跑车上,轮胎由米其林提供,不过轮胎并不是3D打印的哟。

  迈凯伦P1混动跑车使用了这款轮毂

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3D打印轮毂的零件 然后再组装

        GE Additive AddWorks的高级设计工程师Robert Hanet评论说:“ HRE对在市场上追求卓越和卓越品质的承诺感到自豪,GE Additive ADDWORKS很自然地与他们共事,并真正改变了车轮的设计和制造方式。”

 

 

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      HRE3D+轮毂成品

      接着只需对轮毂表面进行最小程度的加工,以确保它们紧密地贴合在一起。随后手工刷上辐条顶部、清洁油粉等杂物。最后利用中心件将五个部分紧固连接到一起,将所有东西都安装在碳纤边缘的桶内。

 

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世界上首个3D打印钛合金轮毂

 


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