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一文了解2017年各机构的技术动态:3D打印及增材制造干货分享

发布时间:2020-08-26

盖世汽车讯  谈及2017年的汽车制造类热词,除了备受瞩目的轻量化外,3D打印与增材制造也发挥着重要的作用。小编特意整理了盖世汽车新技术版块的中的相关文件,介绍各机构在上述两项技术领域内的技术发展动态,详见下文:

台湾车辆研发联盟

关键词:两座式电动车、3D打印制造技术、聚乳酸


台湾车辆研发联盟(Taiwan Automotive Research Consortium,TARC)研发了一款两座式电动车,其车身制造采用了3D打印制造技术。

该辆电动车配备了6.6 kWh的锂离子电池,其续航里程数为60-100 km(近37.3-62.1 miles),最高车速为60 km/h(约合37.3 mph)。TARC尚未确认该款电动车能否实现量产。

该款电动车的车身及内饰均由塑料制成,但车门除外。出于安全考虑,车门采用钢板制成。车身所用材料为聚乳酸(poly-lactic acid,PLA),由植物源性淀粉(plant-derived starch)制成。


与常见的车辆不同,该款电动车并未采用硬壳式结构(monocoque structure),其车身及车架的设计是独立进行的,仅靠车架就能达到车辆碰撞所需达到的安全要求。为此,其车身外部件的设计空间及应用灵活度颇大。

该款电动车的车架由铝材制成,质量为98.7kg。若将车架后侧进行扩展,有可能制成三座式皮卡。若更改铝质车架的外形,还可将其用于制造双轮车辆及自行车。TARC旨在提升生产规模,将成本降低3-4成。


该款电动车的尺寸规格(长宽高)为2780 mm x 1440 mm x 1570 mm,其轴距为1770 mm,发动机的最大动力输出及峰值扭矩分别为7 kW和44 N·m。TARC尚未决定是否将该款电动车进行商业化。

KLIO Design

关键词:拓扑优化、定制化的试验模型

韩国设计公司KLIO Design推出了一款名为“Open structure Mobility Concept”的微型电动概念车,其采用3D打印技术定制车身,共享车辆架构平台,进而实现结构拓展,为个人用户、商业用户及社会公共交通部门提供了开放式的车辆结构。

拓扑优化(Topology optimisation)

KLIO Design一直致力于形态建成(morphogenesis)数学算法,该单词源自于两个希腊单词——形象(morphê)和起源(genesis)。KLIO Design将从生活中获得的灵感应用到设计中,借助该数学算法生成各类结构样式(structural pattern),其迭代运算(iterative operation)会持续进行,直至剩余成分的相对密度达到1。换言之,该方法旨在确定最优的原材料分配。

执行拓扑优化旨在找寻设计变量(design variables)——有限元素的密度(density of finite element),进而满足目标函数(质量下限,minimum mass),设计团队需要考量设计域(design domain)内的限制因素——安全系数(safety factor)。基于拓扑优化,该团队创建了优化后的(质量最小化)车身结构形态,可应对外力(行驶时车身所承受的载荷),并为该款概念车的初始形状设计提供指导意见。

同时,该设计团队还认真考虑了车辆所面临的各种状态,如:静态、变速行驶、穿过减速带(speed bumps)、加速或制动甚至侧翻等极端情况,并计算出设计区域所受的外力数值。该公司随即采用拓扑优化技术,对上述各驾驶情况进行计算分析,然后合并归纳其计算结果。最后,该设计团队对车辆的外观进行了简化及分析,为该款概念车的初始设计形态制定了设定准则。

定制化的试验模型

该款概念车帮助KLIO Design创建了试验模型,可根据乘客数量定制化设计,也可以根据其用途(个人使用、公用及商用)定制设计。该款概念车的动力总成被集成到车身底座,由一台构造简单的电动车系统构成,且各部件的尺寸已缩至最小,以便根据需要实现性能升级并提升其续航里程数。该车辆通过集成逆变器(integrated inverter)/变频器控制单元(converter control unit)来实现对车辆的操控。

目前,KLIO Design采用3D打印技术制作了该车型的缩放模型及实体车型,后者由塑性粉末材料(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)制成。用于制作该款车型的3D打印设备性能优异,其打印速度及分辨率均处于最高水平,而材料损耗率几乎接近于零。该设备主要被用于铸件制造,可实现快速成形,这是传统计算机数控(CNC)制作方法所无法比拟和实现的。该设备适用于设计评估,预计未来将在设计界得到广泛应用。

由于担心该款试验车型因材质问题而导致损坏,故而未对车身喷涂彩漆,该款概念车的原型车主要由车辆的上部车身(未进行试驾测试)及车身底座(已进行试驾测试)两大部分组成。

NanoSteel

关键词:BLDRmetal L-40、激光融合增材制造工艺、表面硬化钢粉末

NanoSteel最近推出了一款新产品——BLDRmetal L-40,可采用基于粉末床的激光融合增材制造工艺(laser powder bed fusion additive manufacturing process)对其进行加工制作。BLDRmetal L-40产品是一款表面硬化钢粉末(case-hardening steel powder),硬度高,延展性(韧性)出色(表面硬度>70HRC,钢芯的延伸率>10%),可借助3D打印技术,用标准的商用设备打印出来。


该合金的性能卓越,可媲美M300 马氏体时效钢(maraging steel),可用作H13等工具钢的替代品,采用3D打印技术后易于加工。BLDRmetal L-40提升了3D打印技术在各类硬材质市场内的应用潜力,该产品的设计定位为工具、模具、轴承及变速齿轮等零部件。


Nanosteel采用3D打印技术制造了一款8英寸的滚丝板牙套件(roll thread die set),其性能远超模具加工机械制作的D2和M2工具钢。


借助CFK GmbH的快速迭代研发技术,NanoSteel研发了这款高强度合金。CFK GmbH是业内的一家3D打印供应商,其专业技术有助于实现模具从产品概念到成品件的转换。

美国橡树岭国家实验室

关键词:大面积增材制造技术、压缩塑模、喷嘴


美国田纳西州橡树岭国家实验室(ORNL)的工程师及科研人员已生产出一款工装,可用于制造汽车发动机罩。3D打印依赖于大面积增材制造技术(Big Area Additive Manufacturing,BAAM)技术。2014年,美国橡树岭国家实验室与Cincinnati、Local Motors等伙伴方采用了BAAM技术,仅花费数日就制造出一辆3D打印车辆,随后又对工艺进行优化,借助3D打印技术制造了一辆谢尔比眼镜蛇跑车。

汽车业每年在工装上的耗费高达数十亿美元,通常需要钢制模具或压模(dies),而上述模具的制作通常很耗时,其获取成本及维护成本也颇为高昂。Love表示,3D是个不错的解决方案,采用该技术将缩短模具及压模的制作时间。

美国橡树岭国家实验室曾为福特生产国一套压缩塑模(compression mold),目前正与压膜制造商Diversified Tooling集团致力于增材工装的研究。

该项研究定位塑料与金属增材制造,而3D打印零件则需要对其表面采取精整操作,但Love表示,可采用机加工或涂层使其表面变得更为光滑、闪亮。

橡树岭国家实验室与Strangpresse

关键词:创新型喷嘴、3D打印


美国能源部旗下橡树岭国家实验室(ORNL)宣布,他们已与美国俄亥俄州的3D打印技术公司Strangpresse签订了专属授权(exclusively licensed)协议,该协议涉及到ORNL的一项挤出机相关的增材制造技术。据悉,该项挤出机技术可打印重大数百磅的聚合物材料。

该发明含一个创新型喷嘴,可将材料挤塑成较大的零部件,用于航天、汽车应用或原型机,且分辨率高,大幅提升品质的同时尽可能材料的粗糙度。

Strangpresse成立于2014年,其主要业务是研究、开发和商业化工业级上使用的完全可控的、低重量、热塑性塑料挤出机。这家位于俄亥俄州Youngstown的公司主要向大学、研究实验室和工业制造企业出售他们的挤出机和其他3D打印技术。

乔治亚理工学院及罗格斯大学

关键词:三层体系、增材制造、微型金纳米棒


乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)及罗格斯大学(Rutgers University)研发了新款三层体系(three-layer system),旨在验证采用增材制造工艺生产的零部件的性能。该系统采用声学技术及其他物理技术,验证3D打印机的运营是否与预期相符,并采用无损探伤技术(nondestructive inspection techniques)与零部件内微型金纳米棒(tiny gold nanorods)的埋藏位置是否正确。

该项验证技术与控制计算机(controlling computer)内的3D打印机固件及软件无关。

新款三层体系包含以下三大部分:

对运营中的3D打印机的声学测量。可与参照记录值进行比对,该项声学监控可采用廉价麦克风及过滤软件(filtering software)探查打印设备的声音变化,后者可探查出3D打印机是否安装了恶意软件。

对3D打印机部件的物理性追踪。为创建理想的目标物,打印机的挤出机及其他部件或将遵循始终不变的机械路径(mechanical path),后者可采用廉价的传感器予以探查。若与预期路径不同,则意味着或存在恶意软件侵袭。

对成品组件内的金纳米棒的探查。研究人员采用拉曼光谱(Raman Spectroscopy)及计算机断层扫描(computed tomography,CT)来探查金纳米棒的位置,后者已与3D打印机内所用的灯丝材料(filament material)相混合。

在诸多挑战中,最大的困难是在嘈杂环境中获取良好的声学数据,因为3D打印设备运行时,噪音通常都很大。此外,该项技术还可被应用于其他各类打印设备及不同材料。

巴斯夫新业务公司与Innofil3D公司

关键词:3D打印用塑料颗粒、3D打印线材、熔丝制造


巴斯夫新业务公司(BASF New Business)全资控股总部位于荷兰埃曼(Emmen, Netherlands)的Innofil3D公司,该笔并购交易无需获得反垄断监管部门(antitrust authorities)的批准。巴斯夫新业务公司总经理Volker Hammes表示:“该并购案达成后,巴斯夫的业务又迈出了一大步。如今,公司不仅能提供3D打印用塑料颗粒,还能提供线材。”

Innofil3D公司是一家领先的高附加值定制化线材(一种长而薄的塑料纤维)制造商,其产品可被用于熔丝制造(fused filament fabrication)。打印制品的功能不仅取决于塑料,还与线材(filaments)始终如一的优良品质有关。Innofil3D旗下产品将被添加到巴斯夫旗下3D打印热线塑料线材中。

Innofil3D将继续维持其现有的业务活动,并成为核心的线材研发及生产平台。Hammes表示:“Innofil3D拥有良好的产品线,而巴斯夫计划研发高性能的线材,两者的紧密结合将为巴斯夫的3D打印产品方案奠定基础。”Innofil3D团队经验丰富,将进一步增强巴斯夫3D打印解决方案有限公司旗下团队的实力。

Altair、APWORKS、csi entwicklungstechnik、EOS GmbH、GERG、贺利氏

关键词:增材制造、承力结构有机设计、流程链、3i-PRINT开放性合作平台

Altair、APWORKS、csi entwicklungstechnik、EOS GmbH、GERG、贺利氏(Heraeus)这六大公司采用了3D打印前端结构件(front-end structure),将其用于为大众Caddy经典车中,进而演示工业3D打印(industrial 3D printing)技术在汽车业内的应用。

该结构件质地极轻,功能集成度也颇高。该联合开发项目取名为3i-PRINT,上述六家公司共同参与了该工艺的所有研发阶段,其内容囊括设计、模拟、优化、制造及零部件的后续作业,涵盖了从概念设计到最终的整车制造各个环节,整个项目历时9个月。

增材制造(additive manufacturing)对汽车业的价值

工业3D打印又称增材制造,该技术在大型制造中发挥着不可或缺的作用,未来或将提升成本效益及效能。换言之,未来工业级3D打印技术的应用将越来越广,对汽车业而言更是如此。

若想要真正地实现增材制造在汽车工程中的价值定位(value proposition),那么拓宽机械及轻量化结构设计将是唯一出路,但前提是先实现零部件的功能整合,尽可能多地将技术功能集成到各部件中,同时尽可能地减少部件的数量,进而产生附加值,这也是汽车业对3D打印青睐有加的另一大原因。3i-PRINT项目旨在借助大众Caddy概念车,演示其未来技术的可行性。

为承力结构采用有机设计

此外,与热管理、被动安全及流体贮存相关的功能被集成到了前端模块内,其采用了以载荷为导向的有机设计(organic, load-driven design)。

发挥各企业在整条流程链的综合专长(Combined expertise)

为此,csi entwicklungstechnik的专家们开始设计、研发并打造前端结构件,GEREG则负责连接增材制造部件并制造最终版的车架,公司将重心放在模拟技术的研发及应用拓展上,进而合成并优化设计及工艺。Altair提供软件方案,用于该机构件的设计、优化、模拟及研发工作。在成功完成该概念产品的模拟及设计后,APWORKS负责确定该3D打印结构件的最终尺寸。

当前端结构件完成后,APWORKS将采用由EOS研发的系统,后者是工业3D打印金属积聚合物领域的领先技术供应商。贺利氏将负责提供并完成高强度铝合金Scalmalloy®的供货及质量验证,该材料由APWORKS提供,用于制造零部件。APWORKS为EOS M 400系统研发了理想的打印参数设定值,为打印工艺提供支持。

该项目结合使用了增材制造技术及创新材料,成功但地演示了功能集成的可行性,而这恰恰是传统制造方式所无法提供的。

3i-PRINT开放性合作平台

3i-PRINT由csi entwicklungstechnik发起,该项目成为了一个灵活的汽车工程研发平台,推动了创新型概念原型车。其理念基于利用新的研发工具及工业3D打印等方法。该项目旨在演示并全面开拓最新款制造方法的可行性。3i-PRINT项目是一个开放性合作平台,可能加速推动新理念的执行。

布伦瑞克造型艺术学院与奥迪

关键词:车内座椅、动态结构设计、Klara概念车

布伦瑞克造型艺术学院(Braunschweig University of Art)的一支设计团队在导师Manuel Kretzer带领下,与奥迪研发/创新单元(development/innovation unit)开展合作,重新构思了车内座椅的样式,并为未来的自动驾驶车辆——Klara量身打造了一款创新型座椅,该座椅采用了动态结构设计。

Klara是奥迪汽车打造的一款人工智能概念车,奥迪旨在通过这款概念车来探索,研究如何利用感性技术来建立驾驶员与汽车之间的沟通——甚至建立人机信任的反馈。针对Klara汽车座椅的特殊需求,该概念车设计团队采用3D打印技术,制造了一款轻量化汽车座椅。

奥迪公司表示,Klara概念车中有39个电动调节马达在金属车体之下工作,凭借一整套灵敏的传感器,“Klara”概念车以交互和主观的方式对其周围环境作出反应。如果车辆觉得接近车辆的人是友善的,那么就会通过闪烁灯光来迎接他们。但是Klara也能够通过“咆哮”来表达不满。

奥迪发展与创新中心与布伦瑞克造型艺术学院的研究团队共同承担了概念车座椅的设计与3D打印工作。双方仅耗时三个月(2017年4月-6月)就完成了该项目的研发与样品试制。在进行概念车座椅设计时,该设计团队也秉承了Kalar概念车的整体设计理念。

最初,双方花了两天时间用于产品设计构思,随后该团队被分为三个小组,各小组成员分别负责设计与制造,材料与舒适度,以及动力与响应。

BigRem公司为该设备的制造提供了支持,该款全尺寸的样机采用Pro-HT塑料材质,这是一款可降解的材料,其强度表现极为出色。

动力与响应小组则定制了38个可活动的部件,并将它们安装到3D打印框架结构的表面。这些部件的视觉和触觉特性能够进行动态调整,以响应不断变化的驾驶条件。

材料与舒适度小组,在座椅的5个独立的区域安装了高性能纤维织物,提升汽车座椅的稳定性与舒适度。

康明斯与橡树岭国家实验室

关键词:3D打印+增材制造

康明斯与橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)在研发一款新材料,用于重卡发动机修复。当车辆在严苛条件下长途行驶后,易造成发动机受损。相较于更换发动机的气缸头(cylinder head),该研究团队提出了一种新方法——先“挖空(scooped out)”磨损部分,然后再采用增材制造技术(cylinder head),放入高性能的合金件,且前者的品质要高于原装铸件。

该3D打印工艺由ORNL研发,可用于修复并增强康明斯发动机的耐用性,且无需重铸零部件,大幅降低了成本并提升了节能性。(本文图片选自盖世新技术版块)

文章标签: 黑科技 前瞻技术

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