金屬3D打印?在汽車輕量化方面的應(yīng)用：從材料到結(jié)構(gòu)

金屬3D打印在汽車輕量化方面的應(yīng)用：從材料到結(jié)構(gòu)

輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑主要有三大方面：一是材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用；二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；三是先進(jìn)制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。三者相輔相成以實(shí)現(xiàn)終產(chǎn)品的輕量化制造，而這其中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有廣大的研究和開(kāi)發(fā)空間。本期我們討論的重點(diǎn)是3D打印輕量化制造的部分，材料和工藝。

輕量化材料就是可以用來(lái)減輕產(chǎn)品自重且可以提高產(chǎn)品綜合性能的材料。材料輕量化，指的是在滿足機(jī)械性能要求的前提下，通過(guò)采用輕量化的金屬和非金屬材料實(shí)現(xiàn)重量減輕的方法。在當(dāng)前的輕量化材料中，鋼鐵仍然保持主導(dǎo)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(fù)合材料等材料比例逐漸增加。這些材料在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用尤其廣泛，我們討論的重點(diǎn)也在該領(lǐng)域。

▌金屬輕量化材料

1. 鋁合金

汽車上常見(jiàn)的合金材料大多為鋁合金、鎂合金。其中鋁合金是現(xiàn)階段應(yīng)用廣、為常見(jiàn)的汽車輕量化材料，曾有研究表明鋁合金在整車中多可以使用540kg，這樣的情況下汽車將減重40%，奧迪、豐田等的全鋁車身就是很好的例子。

目前鋁合金3D打印材料種類主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg幾乎占據(jù)絕對(duì)主流。針對(duì)AlSi系列合金的力學(xué)性能不高，無(wú)法滿足高強(qiáng)度要求的現(xiàn)狀，目前開(kāi)發(fā)出的高強(qiáng)鋁合金有空客的Scalmalloy、英國(guó)鑄造公司Aeromet International的A20X、長(zhǎng)沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院的AlMgSc系以及蘇州倍豐的Al250C等。

奔馳汽車3D打印的鋁合金恒溫器蓋

2017年，梅賽德斯-奔馳在制造業(yè)轉(zhuǎn)型中邁出了重要一步：使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)金屬部件，其中就包括采用鑄鋁合金3D打印的奔馳卡車的恒溫器。不僅如此，梅賽德斯-奔馳表示，該環(huán)節(jié)通過(guò)了所有嚴(yán)格的質(zhì)量測(cè)試。

2. 鈦合金

鈦合金的主要優(yōu)點(diǎn)是低密度、高強(qiáng)度密度比和優(yōu)異的耐腐蝕性，另外即使在溫度升至500°C時(shí)仍能保持很高的強(qiáng)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(diǎn)是成本高，但其在汽車其他方面的應(yīng)用具有輕量化的潛力，可用于制造懸架彈簧、排氣系統(tǒng)等部件。

采用3D打印制造的布加迪跑車鈦合金卡鉗重量由4.9公斤減少至2.9公斤

一個(gè)典型案例是布加迪對(duì)傳統(tǒng)的剎車盤的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其采用高強(qiáng)鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鋁，雖然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，終通過(guò)3D打印制造的卡鉗重量減輕了40%。除此之外，鈦合金作為一種高強(qiáng)輕量化材料，在航空航天領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用空間。

3. 鎂合金

鎂合金也是一種強(qiáng)度較大的合金材料，現(xiàn)階段我們可以在汽車輪轂、離合器等部件上看到它的身影，盡管它比鋁合金更輕，但在汽車上的用量卻很少，從目前來(lái)看世界一流的汽車上鎂合金用量也僅為10kg，而自主品牌汽車鎂合金用量則更少，僅為3kg左右。想要大規(guī)模的使用鎂合金，還需在技術(shù)和成本上有所突破。關(guān)于鎂合金的3D打印應(yīng)用，目前多見(jiàn)于研究，公開(kāi)報(bào)道的案例非常少見(jiàn)。

鎂合金在汽車中的應(yīng)用