皮肤下:保时捷如何3D打印活塞
增材制造(一种复杂的3D打印形式)已经在汽车工业中使用多年,用于零件的快速原型制作,但其用于制造零件的用途也在不断发展。现在,保时捷已成功通过3D打印911 GT2 RS发动机中一些压力最大的组件:活塞。新的活塞比原来的活塞轻了10%,使发动机转速提高了300rpm,并增加了近30bhp的动力。
高性能发动机中的活塞会因负载和热量而承受巨大的压力,通常由铝合金铸造或锻造而成。保时捷已与马勒(Mahle)和打印机制造商Trumpf合作开发了尖端的激光金属融合工艺。利用直接从设计计算机获取的数据,通过将铝合金粉末熔合为1200层(一次一层)来形成活塞。
拓扑优化软件用于识别力较高的区域,以便在每个区域中使用正确数量的材料。活塞的设计中采用了临时支撑结构,以防止合金由于激光的热量而变热时下垂和变形。这些结构像蜂窝一样在内部形成,就像活塞销孔一样,无论如何都要进行加工,以避免以后进行额外的工作。
新功能也可以纳入设计中,这是传统的铸造技术无法实现的,传统的铸造技术是将熔融金属倒入模具或锻造,然后将其压制成形。在这种情况下,保时捷已经能够引入内部冷却管道,例如围绕活塞圆周延伸的隧道。流经管道的冷却油有助于在将活塞密封至气缸的活塞环后的关键区域将活塞温度降低20摄氏度。管道由微小的3D打印喷油嘴供油,这些喷油嘴太复杂了,无法使用传统技术制成。
该软件利用自然界中发现的“仿生”设计来增强强度。活塞的横截面看起来像怪异的肌肉和筋骨。根据当前项目的目的,可以在12小时内制造五个活塞,但是使用更先进的打印机版本,可以将其增加到15个活塞。
其中六个活塞已经在911 GT2 RS发动机中进行了测试,可运行200小时以模拟24小时的履带行驶,包括3728英里(平均时速155 mph)和135小时的平坦行驶。
在此阶段这是一个昂贵的过程,需要更多的技术工作来确保稳定的质量,但该技术可在未来五年内用于批量生产的汽车发动机。保时捷也在研究其他组件,例如涡轮增压器中冷器,以改善冷却流量和表面积。它还可以在带有集成式油冷却器的电动轴驱动器上工作,使用该技术可以用更少的零件制造该零件,并且装配速度更快,是刚性的两倍,重量减轻了10%。
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