雖然我們大多認為3D打印在新能源汽車領(lǐng)域擁有廣闊的前景，似乎將3D打印與傳統(tǒng)汽車的結(jié)合點并不多見，然而在內(nèi)燃機方面，汽車廠也在進行著積極的嘗試。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，近日通用汽車通過3D打印開發(fā)了一種具有定制化剛度的輕巧連桿。

強度與剛度的優(yōu)化

更加輕量化

通用汽車開發(fā)的輕質(zhì)連桿包括第一端，第二端和臂。第一端是可樞轉(zhuǎn)地連接到活塞的構(gòu)造，第二端是可樞轉(zhuǎn)地連接到曲軸的構(gòu)造。臂在第一端和第二端之間延伸。連桿的內(nèi)部區(qū)域包括由點陣填充的輕量化空間。

材料方面臂可以由鋁合金、鈦合金及其金屬材料組合制造。與使用鋼相比，使用鈦或鋁可減少30％的質(zhì)量，也可以使用金屬基復(fù)合材料或非金屬材料，例如碳纖維復(fù)合材料。

連桿用于內(nèi)燃機中，將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動當(dāng)活塞在動力沖程下移時，連桿作用在曲軸上以使其旋轉(zhuǎn)。在車輛行駛過程中，曲軸的端部連接至變速器，因而減輕車輛關(guān)鍵部件的重量對于提高燃油經(jīng)濟性很重要。除了輕量化之外，連桿還必須表現(xiàn)出高強度和剛度的機械特征。總之，連桿應(yīng)設(shè)計得堅固，并盡可能輕。

增材制造可以實現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括連桿內(nèi)部的點陣結(jié)構(gòu)。而在輕量化的連桿邊緣處，臂的側(cè)面以基本上直角的角度匯合在一起，邊緣可以是圓形的。倒圓的邊緣在減小連桿的阻力方面特別有利，因為連桿在內(nèi)燃機中以很大的速度往復(fù)運動。倒圓的邊緣在減小拐角處的應(yīng)力集中和改善疲勞壽命方面特別有利。

增材制造特別適合于形成復(fù)雜的幾何形狀，3D打印的連桿可以具有高度復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和自由曲面的外型。幾何形狀方面可以不斷的改變曲率，內(nèi)部點陣結(jié)構(gòu)，通道截面的幾何形狀等。此外，在整個連桿中，諸如密度（空隙），重量，強度，剛度，撓度和材料成分等特性可以改變。

結(jié)合有點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計的連桿的優(yōu)點在于，與實心連桿相比，它們可以設(shè)計成具有高強度和高剛度的零件同時卻擁有較輕的重量。通過增材制造形成的連桿可以是整體成型的單件一體化的整體結(jié)構(gòu)。增材制造工藝可以高度控制連桿內(nèi)的局部剛度和撓曲度，通過優(yōu)化點陣晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以改善連桿的強度和剛度。

3D科學(xué)谷

Review

連桿的輕量化設(shè)計與3D打印技術(shù)的結(jié)合是業(yè)界一個值得關(guān)注的發(fā)展方向。就文中提到的材料方面來說，以3D科學(xué)谷的市場觀察，目前以粉末床選區(qū)金屬熔化技術(shù)結(jié)合HIP熱等靜壓后處理方式加工鈦合金Ti6Al4V材料的效果很好。

文中提到了碳纖維復(fù)合材料，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，目前盡管碳纖維復(fù)合材料的原型制作非常出色，而且在XY方面都非常堅固，但需要考慮材料是否完全致密且完全各向同性，目前基于擠出的3D打印系統(tǒng)對此是難以實現(xiàn)的。

有一些層壓板工藝可模仿常規(guī)的碳纖維預(yù)浸料板進行鋪層制造，但又不是各向同性的。雖然混合有短切碳纖維材料的塑料包括PEEK或者Ultem來實現(xiàn)3D打印并非不可能，不過目前還是存在很多挑戰(zhàn)。

本文轉(zhuǎn)自3D科學(xué)谷