保時(shí)(shí)捷近日揭示了其高應(yīng)力驅(qū)動(dòng)(dòng)部件里程碑式的增材制造應(yīng)用-通過(guò)粉末床選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)(shù)為911 GT2 RS雙渦輪增壓發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)生產(chǎn)(chǎn)的活塞。在這一應(yīng)用中，通過(guò)面向增材制造的設(shè)計(jì)實(shí)(shí)現(xiàn)輕量化不是唯一的目的，保時(shí)(shí)捷還通過(guò)優(yōu)(yōu)化活塞的設(shè)計(jì)使發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)獲得更強(qiáng)動(dòng)(dòng)力與更高效率。本期內(nèi)容將為大家分享更多有關(guān)(guān)這一3D打印活塞所采用的面向增材制造的設(shè)計(jì)思路。

傳統(tǒng)技術(shù)(shù)無(wú)法實(shí)(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)

保時(shí)(shí)捷3D打印的 911 GT2 RS發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)活塞，比原來(lái)的活塞輕了10％，使發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高了300rpm，并增加了近30bhp的功率。高性能發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)中的活塞會(huì )(huì)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(shí)(shí)捷與馬勒（Mahle）和金屬3D打印設(shè)備制造商Trumpf 合作開(kāi)發(fā)(fā)了發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)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(lái)源：保時(shí)(shí)捷

在進(jìn)(jìn)行3D打印活塞設(shè)計(jì)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)(fā)團(tuán)隊(duì)使用拓?fù)鋬?yōu)化軟件識(shí)別力較高的區(qū)域，以便在每個(gè)(gè)區(qū)域中使用正確數(shù)量的材料?；钊械膱A孔結(jié)構(gòu)中具有臨時(shí)(shí)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(shí)(shí)發(fā)(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(wú)論如何都要通過(guò)加工進(jìn)(jìn)行后處理。

這一應(yīng)用案例中最具價(jià)(jià)值的設(shè)計(jì)思路是開(kāi)發(fā)(fā)團(tuán)隊(duì)在活塞中采用了功能集成的設(shè)計(jì)，這也是傳統(tǒng)鑄造技術(shù)(shù)無(wú)法實(shí)(shí)現(xiàn)，而專(zhuān)門(mén)根據(jù)增材制造技術(shù)(shù)的特點(diǎn)(diǎn)而采取的優(yōu)(yōu)化設(shè)計(jì)。3D打印活塞開(kāi)發(fā)(fā)團(tuán)隊(duì)引入了內(nèi)部冷卻管道的設(shè)計(jì)，流經(jīng)(jīng)管道的冷卻油有助于在將活塞密封至氣缸的活塞環(huán)(huán)后的關(guān)(guān)鍵區(qū)域，并將活塞溫度降低20攝氏度?；釗屑傻奈⑿?D打印噴油嘴為管道供油。這種復(fù)雜的噴油嘴也是無(wú)法使用傳統(tǒng)技術(shù)(shù)制造的。開(kāi)發(fā)(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)軟件實(shí)(shí)現(xiàn)的“仿生”設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)強(qiáng)度，活塞的橫截面看起來(lái)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(dāng)前項(xiàng)目的需要，3D打印活塞開(kāi)發(fā)(fā)團(tuán)隊(duì)可以在12小時(shí)(shí)內(nèi)制造5個(gè)(gè)活塞，預(yù)計(jì)使用更高效的3D打印設(shè)備可將數(shù)量增加到15個(gè)(gè)。目前已有六個(gè)(gè)活塞在911 GT2 RS發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)中進(jìn)(jìn)行了測(cè)試，運(yùn)行了200小時(shí)(shí)。

3D打印活塞的開(kāi)發(fā)(fā)還需要更多技術(shù)(shù)來(lái)確保質(zhì)(zhì)量一致性，但保時(shí)(shí)捷表示該技術(shù)(shù)可在未來(lái)五年內(nèi)用于批量生產(chǎn)(chǎn)的汽車(chē)發(fā)(fā)動(dòng)(dòng)機(jī)。根據(jù)3D科學(xué)(xué)谷的市場(chǎng)(chǎng)觀(guān)察，保時(shí)(shí)捷正在通過(guò)增材制造技術(shù)(shù)嘗試更多的動(dòng)(dòng)力總成零部件設(shè)計(jì)優(yōu)(yōu)化的可能性，例如開(kāi)發(fā)(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(dòng)(dòng)軸驅(qū)動(dòng)(dòng)器上工作。