保時捷里程碑式3D打印活塞背后的設計優化思路

魔猴君  行業資訊   1704天前

保時捷近日揭示了其高應力驅動部件里程碑式的增材制造應用-通過粉末床選區激光熔化3D打印技術為911 GT2 RS雙渦輪增壓發動機生產的活塞。在這一應用中，通過面向增材制造的設計實現輕量化不是唯一的目的，保時捷還通過優化活塞的設計使發動機獲得更強動力與更高效率。本期內容將為大家分享更多有關這一3D打印活塞所采用的面向增材制造的設計思路。

傳統技術無法實現的設計

保時捷3D打印的 911 GT2 RS發動機活塞，比原來的活塞輕了10％，使發動機轉速提高了300rpm，并增加了近30bhp的功率。高性能發動機中的活塞會因載荷和熱量而承受巨大的壓力，通常由鋁合金鑄造或鍛造而成。保時捷與馬勒（Mahle）和金屬3D打印設備制造商Trumpf 合作開發了發動機活塞的增材制造工藝，打印材料為一種鋁合金粉末，分為1200層完成活塞的增材制造。

3D打印活塞。來源：保時捷

在進行3D打印活塞設計過程中，開發團隊使用拓撲優化軟件識別力較高的區域，以便在每個區域中使用正確數量的材料。活塞中的圓孔結構中具有臨時支撐結構，其作用是防止合金由于激光的熱量而變熱時發生下垂和變形。這些支撐結構像蜂窩一樣在活塞內部形成，就像活塞針孔一樣，無論如何都要通過加工進行后處理。

這一應用案例中最具價值的設計思路是開發團隊在活塞中采用了功能集成的設計，這也是傳統鑄造技術無法實現，而專門根據增材制造技術的特點而采取的優化設計。3D打印活塞開發團隊引入了內部冷卻管道的設計，流經管道的冷卻油有助于在將活塞密封至氣缸的活塞環后的關鍵區域，并將活塞溫度降低20攝氏度。活塞中集成的微小3D打印噴油嘴為管道供油。這種復雜的噴油嘴也是無法使用傳統技術制造的。開發團隊通過軟件實現的“仿生”設計來增強強度，活塞的橫截面看起來與生物肌肉、筋骨等自然界形成的結構非常相似。

根據當前項目的需要，3D打印活塞開發團隊可以在12小時內制造5個活塞，預計使用更高效的3D打印設備可將數量增加到15個。目前已有六個活塞在911 GT2 RS發動機中進行了測試，運行了200小時。

3D打印活塞的開發還需要更多技術來確保質量一致性，但保時捷表示該技術可在未來五年內用于批量生產的汽車發動機。根據3D科學谷的市場觀察，保時捷正在通過增材制造技術嘗試更多的動力總成零部件設計優化的可能性，例如開發渦輪增壓器的3D打印中間冷卻器，以改善冷卻流量和表面積，該組件還可以在帶有集成式油冷卻器的電動軸驅動器上工作。