“这证明了增材制造所具备的种种优势,也适用于电动跑车中更大尺寸、更大压力的部件。”在位于魏斯阿赫保时捷研发中心的动力总成高级开发部门负责人 Falk Heilfort 表示。举例来说,这个经过优化的电动动力总成将可用于限量发售的超级跑车中。

包含多阶段开发工作的原型机

高级开发部门的工程师能够利用原型机同时进行多个开发步骤。增材制造的合金外壳相比传统铸造部件更轻,并使得电动机的总质量减少了 10%。凭借只有 3D 打印才能实现的特殊结构,在高应力区域的刚度则加强了一倍。增材制造的另一项优点是单个部件可以继承更多功能,这大大减少了组装工作,直接提高了零部件质量。

Additive manufacturing, 2020, Porsche AG

3D 打印为小批量零部件的开发和制造开辟了新世界,保时捷正大力推进增材制造技术的实际运用,以进一步优化高压力部件。数月前,3D 打印的活塞成功地在 911 GT2 RS 这款高性能跑车上证明了自己的实力。如今完整的电动动力总成壳体也同样品质精湛,两速变速箱与电动机集成在一起,这种高度集成的方式是转为跑车前轴而设计的。

几乎能制造任何几何构造

Falk Heilfort 表示:“我们的目标就是要开发一种具有增材制造潜力的电力驱动装置,要尽可能的把多样的功能和零部件集成到壳体内部,从而减轻重量并优化结构。”没有其他工艺能像 3D 打印拥有如此多的可能性以及极高的实现速度,设计数据可以直接从计算机导入打印机,而无需诸如模具制造之类的中间步骤。用铝合金粉末逐层构筑零件,这使得几乎可以制造任何几何形状,例如带有冷却管路的外壳。逐层熔化,并与上一层融合。为此也可以选用多种不同的技术。电动动力总成外壳使用了高纯度金属粉末搭配激光金属熔合工艺(LMF)制造,激光束会逐层加热并熔化与零部件轮廓相对应位置的粉末。

电动动力总成的优化开始于轴承、热交换器以及供油等组件的设计集成,其次是计算机模拟的载荷和相互作用,在此基础上确定载荷路径。虚拟开发方法的下一步是通过整合所谓的晶格结构来优化载荷路径。这些结构从自然界的植物或骨骼中汲取了灵感。动力总成高级开发部门的设计与拓扑优化专家 Sebastian Wachter 认为:“我们能够扩展和改进用于创建此类零部件的软件解决方案,现在几乎都能够在很短的时间内虚拟实现。未来,当与人工智能结合时,应该会出现一些更有趣的优化方法。”

3D 打印有着特定的设计要求

实际上,3D 打印提供的设计自由度也要与特定的设计要求相结合。其中包括了工程师必须考虑到工件是通过熔化-焊接逐层生产的。如果形状中有大的突起,则可能必须设计相应的支撑元件,而且它们不得与介质输送管道冲突。因此,重要的是在设计阶段就要考虑到层构建的形式。利用目前可用的技术,第一个外壳原型的打印花费了数天,并且由于组件尺寸的原因,共分两次进行。而最新一代的打印机,则可以将这一时间缩短 90%,并且整个外壳可以一次成型。

由于功能的高度集成与和拓扑优化,外壳部件的减重约 40%。由于采用了轻质结构,因此整个总成也成功减重 10%,同时刚度明显增加。尽管外壳连续壁厚度仅 1.5 毫米,但由于网格结构的存在,电动机和变速箱之间的刚度提高了 100%。蜂窝状结构成功减少了薄壳体壁的振动,因此从整体上显着改善了动力总成的噪音问题。零件的集成使动力总成更加紧凑,显着改善了动力总成的封装,并减少了约 40 个工序的组装工作。这相当于能节约 20 分钟的生产时间。另一个好处是:变速箱热交换器与优化的热传递集成在一起,可以改善整个动力总成的冷却效果。这是进一步提高性能的基础。

增材制造具有巨大的潜力

使用 3D 打印基础生产的壳体再次展示了增材制造在保时捷未来产品创新方面的潜力。在流程创新,机敏的开发和灵活的生产;以及新业务领域,如为客户提供新产品和备件的定制化中也存在潜力。对于保时捷来说,这种制造手段在技术上和经济上都很有价值,尤其是对于小批量生产的车型以及赛车来说。

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