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3D打印碳纖維、陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)零部件,助力超跑獲得3,000馬力動(dòng)力 

2020-04-29 15:34
賽車運(yùn)動(dòng)是汽車工業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。為了贏得比賽,汽車制造商會(huì)將最好的科技、材料用于參賽車輛的制造。賽車制造中所應(yīng)用的制造技術(shù)總是高于同期的民用車輛,在未來(lái)部分賽車制造中所用的科技將在民用車輛制造中應(yīng)用。

長(zhǎng)期致力于賽車零部件制造與創(chuàng)新的Spyros Panopoulos 團(tuán)隊(duì),通過(guò)其專利技術(shù)與先進(jìn)材料,研發(fā)了用于極限賽車運(yùn)動(dòng)的渦輪增壓器、葉輪、活塞等動(dòng)力總成零部件。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,在技術(shù)創(chuàng)新的道路上, Panopoulos 團(tuán)隊(duì)融入了3D打印技術(shù)與創(chuàng)成式設(shè)計(jì),并通過(guò)這些技術(shù)為賽車、超級(jí)跑車減重與提升動(dòng)力性能提供技術(shù)上的加持。

值得期待的是,在Panopoulos 團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的超級(jí)跑車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中,應(yīng)用了多種3D打印零部件,包括碳纖維3D打印連桿、陶瓷3D打印活塞等極具創(chuàng)新性的零部件,這款跑車將在2021年日內(nèi)瓦車展上亮相。

本期,3D科學(xué)谷將與谷友一起搶先看來(lái)自賽車制造團(tuán)隊(duì)的3D打印前沿應(yīng)用,并回顧民用汽車制造領(lǐng)域取得的3D打印應(yīng)用進(jìn)展。

block 追求極致的輕量化

賽車與飛機(jī)零部件制造團(tuán)隊(duì)Spyros Panopoulos 開(kāi)展了一個(gè)超級(jí)跑車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“Chaos”,該項(xiàng)目包括兩種不同配置的超級(jí)跑車。兩種版本的相同之處為,均配備4升V10鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)具有20個(gè)噴油器,40個(gè)氣門,鈦合金曲軸,鈦/鉻鎳鐵合金氣門,以及由碳纖維和鈦合金制造的大型雙渦輪增壓器,該渦輪增壓器的渦輪由陶瓷復(fù)合材料制造。

其中一種配置的跑車安裝了鈦合金3D打印活塞和連桿,可加速至11,000 rpm,并具有2,000馬力的動(dòng)力。
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3D打印碳纖維連桿與陶瓷活塞。來(lái)源:Spyros Panopoulos

另一種配置的跑車,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高至12,000 rpm。這款跑車安裝了碳纖維連桿和3D打印的陶瓷復(fù)合材料活塞。陶瓷復(fù)合材料以高強(qiáng)度、重量輕、硬度和幾乎完全的抗熱膨脹性著稱,而能夠作為航天飛機(jī)制造中使用的材料。該跑車的最高功率不低于3,000馬力。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察,Spyros Panopoulos 團(tuán)隊(duì)早在1997年就致力于制造極限賽車中的連桿、渦輪增壓器、氣門、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體,以及飛輪和完整發(fā)動(dòng)機(jī)。使用新材料、先進(jìn)制造技術(shù)以及設(shè)計(jì)方式,是他們?cè)谫愜噭?dòng)力總成零部件制造中保持創(chuàng)新活力和突破車輛極限動(dòng)力的推動(dòng)力。Panopoulos 團(tuán)隊(duì)獲得了眾多創(chuàng)新、專利技術(shù)和成就。

例如在新材料應(yīng)用方面,Panopoulos 團(tuán)隊(duì)曾在2015年,將Tennalum合金材料用于賽車制造,這種合金具有高達(dá)700 MPa的屈服強(qiáng)度(比7075合金高出30%以上),良好的延展性。以及與7075相似的耐腐蝕性以及其他對(duì)高性能組件/設(shè)備設(shè)計(jì)人員有利的功能。在強(qiáng)度/重量比方面,Tennalum比7075高33%。
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Gen2專利技術(shù)制造的葉輪。來(lái)源:Spyros Panopoulos

Panopoulos 團(tuán)隊(duì)擁有渦輪增壓葉輪設(shè)計(jì)與制造的專利技術(shù)-Gen2,采用該技術(shù)制造的葉輪具有10個(gè)葉片,材料為“超級(jí)合金970 mpa”,該材料比鈦Ti6AL4v重量輕43%,但強(qiáng)度高35%。這一渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪,在空氣動(dòng)力學(xué)方面得到了革命性的改進(jìn),其初級(jí)葉片的徑向向內(nèi)的部分向上掃入壓氣機(jī)的上部區(qū)域。得益于優(yōu)化的幾何形狀,其性能提高了35-80%。2016年,該團(tuán)隊(duì)將碳纖維壓縮機(jī)蓋用于渦輪增壓器中,并采用Gen2專利技術(shù)制造碳纖維和勞倫纖維復(fù)合材料的渦輪增壓器葉輪,這些復(fù)合材料比鋁輕8-10倍。

近年來(lái),Panopoulos 展開(kāi)了對(duì)下一代材料、增材制造以及創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方式的研究。2019年,他們?cè)谶@一領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。
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3D打印碳纖維連桿。來(lái)源:Spyros Panopoulos

上圖是3D打印碳纖維連桿,也是“Chaos”項(xiàng)目其中一款跑車中安裝的連桿。下圖是Panopoulos 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的賽車3D打印活塞,材料包括H13不銹鋼和Ti6AL4v鈦合金 。
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3D打印活塞設(shè)計(jì)。來(lái)源:Spyros Panopoulos

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3D打印鈦合金連桿、活塞。來(lái)源:Spyros Panopoulos

Panopoulos 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了面向增材制造汽車零部件開(kāi)發(fā)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件”anadiaplasi”,并通過(guò)anadiaplasi設(shè)計(jì)了一系列3D打印零部件,包括3D打印陶瓷、鈦合金材料的連桿、活塞,以及安全性部件制動(dòng)鉗。
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3D打印制動(dòng)鉗。來(lái)源:Spyros Panopoulos

3D打印與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的輕量化,是提高超級(jí)跑車動(dòng)力的重要砝碼之一。根據(jù)Panopoulos,其團(tuán)隊(duì)對(duì)首款量產(chǎn)跑車的減重目標(biāo)是總車重小于1,150千克,每減少一公斤重量可產(chǎn)生超過(guò)2馬力的動(dòng)力,他們已為時(shí)速超過(guò)500 公里/小時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能做好準(zhǔn)備,在加速度方面,他們的技術(shù)已為時(shí)間2秒內(nèi)加速至100公里/小時(shí),7秒內(nèi)加速至400公里/小時(shí)做好準(zhǔn)備。

以上仍不是“Chaos”超級(jí)跑車的全貌,預(yù)計(jì)在20201年的日內(nèi)瓦車展上,將可以看到它的全部科技。除了以上這些通過(guò)anadiaplasi創(chuàng)成式軟件設(shè)計(jì)的3D打印零部件,還將看到錯(cuò)綜復(fù)雜的LED剎車燈陣列、3D打印鈦合金排氣管,碳纖維車身,以及由一種熱固性材料制造的一體式底盤,這是一種可用于制造防彈衣的材料,其強(qiáng)度是芳綸的1.6倍。
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