據外媒報道,美國加州車輪制造商HRE發明了一種3D打印車輪,專為邁凱倫P1設計。這種車輪通過減重,使車輛跑得更快。

據悉,這是HRE打造的第二代3D打印概念車輪,車輪由一個碳纖維槍管及鈦合金輪輻組成,單個車輪重量約為9kg。邁凱倫P1配置這種輕量化車輪后,加速會變得更快。
在超跑車輪的制作過程中,HRE采取了兩種3D打印工藝,一種是直接金屬激光熔融工藝,采用激光器融化超細鈦合金粉末,逐層構建鈦合金熔融層,進而打造精細顆粒層,形成成品車輪。另一種是電子束熔煉工藝,采用一束電子進行加熱,在真空容器內將新金屬材料融化。

此外,在訂購HRE的3D打印車輪時,用戶還可選擇不同的顏色及底漆進行定制化操作,這類車輪均為手工制作,制作時間較長但工藝十分精細。3D打印技術使用鈦合金材料,保證了零部件的強度,也為未來車輪定制化發展提供可能。
在汽車領域,3D打印技術除了制造車輪,還在其他輕量化、定制化的零部件或模具上使用。福特汽車就擁有多個3D打印實驗室,專門生產車內按鈕、旋鈕、進氣口及發動機罩等零部件。此外,布加迪也推出了由3D打印生產的八活塞剎車卡鉗,梅賽德斯-奔馳和保時捷也在利用3D打印技術為老款車型生產金屬零件備件等。
輕量化的實現途徑主要有三大方面:一是材料的優化設計和應用;二是產品結構的優化設計;三是先進制造技術的開發應用。三者相輔相成以實現最終產品的輕量化制造,而這其中產品結構優化設計和材料的優化設計具有廣大的研究和開發空間。

輕量化材料就是可以用來減輕產品自重且可以提高產品綜合性能的材料。材料輕量化,指的是在滿足機械性能要求的前提下,通過采用輕量化的金屬和非金屬材料實現重量減輕的方法。
在當前的輕量化材料中,鋼鐵仍然保持主導地位,但鋼鐵材料的比例逐年下降,鋁合金、鈦合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等材料比例逐漸增加。這些材料在汽車制造領域的應用尤其廣泛,其中鋁合金是現階段應用最廣、最為常見的汽車輕量化3D打印材料; 還有一種比較常見的輕量化3D打印金屬材料是鈦合金。鈦合金的主要優點是低密度、高強度密度比和優異的耐腐蝕性,另外即使在溫度升至500°C時仍能保持很高的強度。鈦合金用于汽車與鋼、鋁合金以及鎂合金相比的主要缺點是成本高,但其在汽車其他方面的應用具有輕量化的潛力,可用于制造懸架彈簧、排氣系統等部件。
除了合金以外,近些年汽車上也出現了一些新型輕量化材料,碳纖維就是其中之一。有研究表明,如果用強度可靠的碳纖維替代鋼材,車身、底盤的質量將下降40%-60%,輕量化效果可見一斑。

碳纖維目前無法直接用于3D打印,通常作為增強材料使用,包括基于激光燒結的短纖增強和基于FDM的長纖增強兩種。將碳纖維嵌入到常規材料中,可以使部件強度提升幾十倍,其強度重量比甚至超過很多金屬材料。這種制造工藝更類似于新的材料設計,因此在輕量化方面有非常廣的應用空間。另一種輕量化的材料是工程塑料,多用于制造汽車內飾件、電器件、進氣歧管、控制面板等部件,既可以用作原型驗證,也可直接制造最終功能部件。
輕量化材料的使用必須與產品設計和制造工藝相結合,只有這樣才能達到有效的目的。開發適應輕量化材料的新工藝不僅可以加速新材料在汽車上的使用,同時還可以降低材料成本,有利于擴大應用。而3D打印層層堆積的工藝原理,無懼設計的復雜性,能有效優化零件結構、降低材料浪費的損失、減輕重量、減少應力集中、增加使用壽命。即便3D打印可直接制造的材料仍然有限,但在輕量化材料直接制造方面似乎并未遇到太多阻力。
據汽車界人士預測,在今后十年中,汽車自身質量還將減輕20%,除了大量采用復合材料和輕質合金外,新材料的集成制造工藝會顯著降低車身部件數量,車身設計方法也將發生重大變化。
目前,成熟的3D打印工藝和材料受到了很多汽車制造商的重視,大眾、福特、寶馬等汽車廠商均設立了包括增材制造在內的先進制造中心,這無疑為汽車的輕量化制造帶來了更多機遇。
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