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布加迪开发超优化的Bolide 3D打印零件

3D打印 选择性激光熔化
发布:2021-02-01 11:43:59     来源:搜狐新闻

据外媒报道,由德国大众汽车集团旗下豪华汽车品牌布加迪(Bugatti)的工程师领导开发的新技术,可以使超轻型组件的强度与钢筋混凝土柱一样。此种新3D打印推杆(底盘承压拉杆)仅重100克,最大可承受3.5吨压力。其中空钛合金结构带有内部支撑拱形,具有令人难以置信的强度,是布加迪近期推出的几种Bolide(专用轨道超级跑车) 3D打印零件中,又一个AM(大气压量)突破。

新项目由布加迪新兴技术部博士生Henrik Hoppe领导。自2017年以来,Hoppe一直致力于开发创新型金属材料和制造工艺,且其硕士论文就与3D打印钛合金制动钳的计算方法有关。该制动钳比经过高度优化重量的Chiron2量产部件轻43%,但坚固性一样。Hoppe称:“通过选择性激光熔化,即通常所说的3D打印,可以生产出由内部硬化的新型中空超复杂组件。这些组件非常轻巧,但却非常结实牢固。我们会将其越来越多地应用于超级跑车的零部件中。”

 
(图片来源:布加迪)

在博士学位论文中,Hoppe再次取得突破。由于从概念到交付的整个制造过程需要花费大量时间和金钱,因此Hoppe率先采用了新系统。Hoppe使用该系统确认用于汽车制造的功能性3D打印金属部件的商业和技术潜力。此外,还可以通过针对特定零件的应用来增强这种潜力。以前,此类型的组件主要用于航空航天领域。

骨状结构

布加迪通常使用3D打印技术来增强具有复杂结构的组件,并采用仿生学原理,使印刷出的部件具有骨状结构:薄壁、空心、且具有精细分支。因此组件尽管重量轻,但仍具有出色的刚度,且壁厚仅为0.4毫米。Henrik Hoppe称:“我们将继续减轻汽车的重量,同时在每个可能的领域增加其创新功能。”从构思到生产再到车辆安装,Hoppe都设计和精心计划了每个步骤,并执行了所有计算,以及评估组件量产的商业可行性。他补充说:“尽管布加迪在材料、制造工艺和组件方面的质量标准要求极高,但也必须具有商业可行性。”

布加迪是汽车金属3D打印领域的技术领导者。从量产以来,这款超级跑车就配备了业界首批批量生产金属3D打印功能组件:位于变速箱油箱旁的小型带水高压泵控制台。2018年,布加迪推出全球最大的3D打印钛零件,即钛制制动钳。随后又推出全球最大的混合动力功能组件,该组件由3D打印的钛和盘绕碳制成。布加迪新兴技术负责人Frank Götzke表示:“这些组件非常轻便且坚固耐用,因此绝对适合量产车辆。”

目前,布加迪Bolide作为技术载体已开始使用新材料和制造工艺,并于2020年10月下旬举行了全球首发仪式。Götzke表示:“作为赛车形式的实验车辆,Bolide并非用于展示,而是凸显布加迪完整技术的不二之选。发烧友们将来还会在其他车辆中看到这些尖端技术。”

像在赛车运动中通常使用的涡轮风扇一样,布加迪也找到了在超轻量镁锻造车轮上安装径向压缩机的方法。其外观类似于轮辋,但是具有多种功能:它们可通过制动器将空气从轮罩中泵出并将暖空气吸入到外部。这样,涡轮风扇在冷却制动器的同时降低升力。与熟知的单材料解决方案相反,Bolide组件具有混合结构,它由一个3D打印的钛制中央碗(厚度为0.48毫米)和一个0.7毫米厚的碳板组成,该碳板带有碳制小内叶片。中央钛碗还有一个宽度为0.48毫米的横条,进一步提高其刚度,但重量仅为100克。加上后轮上的单个18¼英寸涡轮风扇(前部为17¼英寸),总重不到400克。由于不可能获得特定抗屈曲性和抗弯刚度,因此这在单材料解决方案中不可能实现。

重量仅为325克却可承受压力1.8吨

高度复杂的3D打印组件也可用于隐蔽处。布加迪将钛合金印在前翼子板的安装支架上,前翼子板可以安装在三个不同的高度。安装支架,内部空心且壁厚为0.7毫米,重量仅为600克,但却可以承受800公斤的气动压力。通过Bolide的中央碳鳍片,后翼子板的下压力可以在320 km/h的速度下达到1.8吨,并被引入上部结构矩阵,该结构矩阵构成高强度不锈钢后框架上端。在该中央散热片内部,有一个层压和印刷的钛制零件,用于将散热片连接到机翼,并通过连接杆调节角度。刚性非常之大,但重量仅为325克。工程师还使用钛合金来印刷用于安装转向柱的支架,该支架具有集成的仪表板支撑、直通式转向柱的支撑环以及车辆内部的两个通风孔。所有组件均为轻型空心结构,壁厚均匀为0.5毫米。

Bolide的车轮控制基于前后轴上的双叉骨运动学(double-wishbone kinematics)。在后轴上,弹簧阻尼器元件具有垂直配置,而在前轴上,它们与行进方向成直角水平布置。弹簧由钛制成,减震器具有调节机构和储液器,该储液器内部集成在前轴减震器上。对于前轴上的水平弹簧减振器元件,垂直接触力是通过连杆传递,该连杆直接位于下叉臂上的旋转轴承旁边。控制摇杆的支架壁厚仅为0.4毫米,且每个支架的重量仅为95克,每个摇杆的重量都不到195克。由于空气完全流过Bolide的前轴,因此其运动学组件(包括3D打印的钛合金组件和高强度不锈钢叉臂)都非常轻巧且坚固,并在空气动力学方面得到了优化。不仅如此,Bolide的所有其他3D打印元素的拉伸强度均为1,250 N/mm2。Götzke解释说:“通过内部开发的特殊热处理工艺,拉伸强度大大提高,同时断裂应变至少达到19%。”

推杆100克

开发人员对于Bolide的推杆感到特别自豪。Hoppe表示:“他们将力传递到摇臂,根据驱动方式,其最大可承受压力可达3.5吨。然而,由于采用多种创新技术,其重量仅100克。”此外,布加迪的开发人员还首次改变了薄壁空心杆的壁厚。空心杆壁朝中心变厚,然后再次变薄,这意味着它们可以最佳地适应局部应力。与人体骨骼相似,该组件具有内部结构。该特殊结构最近也已注册专利。

与已批量生产、众所周知、经过重量优化的钛排气管装饰盖相比,布加迪的由3D打印的钛和陶瓷制成的混合部件重量减轻了约一半。组件长度超280毫米,但壁厚却始终只有0.5毫米,因此重量不到750克。由于陶瓷材料的导热系数远低于钛合金,因此布加迪引入了特殊的陶瓷元素,并内置在钛合金外壳中,并使盖板相对于碳外皮居中,因此即使排气温度超高,外皮也不会损坏。该隔热罩还由内置的文丘里喷嘴支撑:当热废气进入尾管装饰盖时,新鲜空气被吸入,从而在热废气流周围形成冷空气套。

数月前,随着Bolide(专用轨道的超级跑车)的推出,布加迪提出了非凡技术概念。这款标志性的8.0升W16发动机功率高达1,850PS˚,可为仅重1,240公斤的汽车提供动力。这意味着该车辆具备令人难以置信的0.67 kg/PS的重量/功率比、超过500 km/h的最高时速、完美操控性和最大灵活性。FrankGötzke总结道:“众多技术亮点使Bolide如此与众不同,但这些技术也可以应用到量产车,这正是我们继续开发和努力的方向。110多年来,布加迪在一直因其独特创新令人印象深刻,未来,也将会继续努力。”

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