替代熔模铸造,3D打印技术为F1赛车生产涡轮增压器

国际金属加工网 2021年08月16日

无论在赛道上还是在赛道外,速度才是致胜的关键,而风驰电掣的背后仰赖的是强大的工程设计和制造能力。竞争日趋白热化,零件的设计与制造也同样面临巨大的挑战。以提速的首要装备——涡轮增压器为例,赛车领域的涡轮增压器有极为复杂的形状、几何特征和材质。因此,熔模铸造是曾经唯一可用的方法,但它的缺点和局限也同样明显:

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△传统熔模铸造生产的涡轮增压器

赛车需要提升竞争力,必须在遵循简洁设计的原则下使关键零件达到更高的性能,并且需要精确的平衡作用力,这就不可避免地需要频繁变更设计,相应的也就需要一个灵活和高效的生产工艺,而这正是工艺繁杂的熔模铸造是无法满足的。工艺环节越多,出错风险就越高,瑕疵产生机率越大,生产周期也更长。要使涡轮增压器高效率地工作,必须有效隔热,用双壁结构形成空气间隙,避免内部的热量传递到外壳,但是,双壁结构的问题是难以铸造。

为了保持理想的工作压力,我们需要通过两个废气门来进行排气,铸造的方法是将主机壳、两个废气门分开制造然后再进行后续组装,显著增加成本和重量。发动机的减重是另一个挑战,赛车的平均设计时速超过200 km/h,减重可以大幅提升性能。因此所有零件的壁厚都要尽可能薄,以减轻发动机的重量,但是薄壁的铸件强度又不足。

此外,虽然铸造工艺也可以成型许多复杂的内部几何特征或功能面,但是基本上制造周期都比较长。而且,一些形状铸造是无法成型的,比如封闭式腔体内的几何特征既无法用铸造的方法成型,也无法在后续加工中成型。因此我们在前期设计涡轮增压器时就会受到铸造工艺的诸多限制。

熔模铸造的工艺环节繁多,生产周期长,难以满足赛车快节奏的要求。要进一步提升性能就需要使用更先进的技术,才能使赛车创造全新的圈速记录。

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增材制造可以最大化的释放设计自由,使之专注于零件的功能性,工程师在零件的设计中可以更接近理想的状态,并且可以突破工艺的限制将复杂的组件整合成一个完整的零件。传统制造此涡轮增压器需要使用三个零件:主机壳和一侧的两个废气门。这两个部件铸造后,还需要焊接固定双壁隔热罩。如果使用增材制造技术,则可将该涡轮增压器设计为一个单件的零件,一体成型,废气门不需要密封垫或和组装,而是直接打印一个完整的壳体。这可以大大简化组装操作,减轻重量。

此外,整合后的单件零件还能提高涡轮增压器的整体可靠性;由于不需要加工公差严格的装配面,因此,可以减少不同零件间可能发生的泄漏而导致的失效。通常,还可以改进双壁结构的薄厚,进一步减轻重量,同时可以隔热,提高性能。

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相比熔模铸造方法,金属3D打印生产的F1赛车零件为生产企业提供明显的时间成本和制造成本的优势。越来越多的高端汽车制造商在生产中采用增材制造技术快速和可靠地实现了制造目标。GF加工方案通过软件、金属3D打印及后处理设备,以及专利设计的System 3R夹具三股平行工作流,为涡轮增压器提供从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

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