鈦合金及3D打印在汽車行業的應用


1.鈦合金在汽車工業的應用現狀
鈦金屬具有密度小、比強度高、耐蝕性好的優點,汽車采用鈦材料可極大地減輕車身質量,降低燃料消耗,提高發動機的工作效率,改善環境和降低噪聲。但是昂貴的價格,使得鈦合金在汽車工業中只能在豪華車型和跑車上有一些應用,在普通汽車上鮮有應用。因此,研究與開發適應市場需要的低成本鈦合金是推動其應用于普通家用汽車的關鍵。
1.1鈦在汽車零部件的使用情況
盡管鈦合金已廣泛應用于航空航天、石油化工以及艦船工業上,但是在汽車工業中的應用卻發展緩慢。從1956年美國通用公司研制成功第一輛全鈦汽車開始,鈦制汽車零部件直到20世紀80年代才達到批量生產的水平,90年代隨著豪華汽車、跑車、賽車需求量的逐年增加,鈦制零部件才得到了飛快發展。鈦制零部件可以減少汽車總質量。根據設計和材料特性,鈦在新一代汽車上主要分布在發動機元件和底盤部件上。鈦可制作發動機系統閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件以及底盤部件中的彈簧、排氣系統、半軸和緊固件等。
表1 鈦制零部件在汽車中的使用情況
部件名稱 原材料 制造商 優勢
連桿 Ti-6Al-4V 法拉利轎車 減輕發動機質量,提高燃油利用率和減少排氣量發動機氣門 Ti-6Al-4V 日本日立公司 減輕重量,延長使用壽命,而且可靠性高,還可節省燃油
氣門彈簧座 Ti-22V-4Al 三菱 減輕重量,成本低鈦合金彈簧 Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5A Ti-13V11C-3Al Timet 減輕重量,耐腐蝕性好,減少剪切模量
渦輪增壓器  Mitsubishi 提高發動機的燃燒效率并增強發動機的功率及扭力排氣系統 工業純鈦 Golf系列車 可靠性高、延長壽命和改善外觀,減少質量,提高燃料燃燒效率
回氣管 鈦制 Timet 耐腐蝕性好,節約燃料,較短的制動距離
車體框架 鈦制  安全性可靠性高,韌性好

1.2鈦合金在汽車中應用優點
鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點,故被廣泛應用在汽車工業中,應用鈦合金最多的是汽車發動機系統。利用鈦合金制造發動機零件有很多好處,主要表現在:
(1)鈦合金的密度低,可以降低運動零件的慣性質量,同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動,減弱車身的振顫,提高發動機的轉速及輸出功率。
(2)減小運動零件的慣性質量,從而使摩擦力減小,提高發動機的燃油效率。
(3)選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力,縮小零件的尺寸,從而使發動機及整車的質量減輕。
(4)零部件慣性質量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發動機的性能。
鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業上的應用,鈦合金在節能降耗方面起到了不可估量的作用。
1.3鈦合金在汽車中應用缺點
鈦合金零部件盡管具有如此優越的性能,但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業中還有很大的距離,原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。但近年來鈦合金通過近凈成形技術及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現代焊接技術的發展,鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應用的關鍵因素,阻礙鈦合金普遍應用于汽車工業的最主要原因還是成本過高。
鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬,用連桿鈦材8~13美元/kg,氣閥用鈦材13~20美元/kg,彈簧、發動機排氣系統及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產的零件成本比這些價格高了很多,鈦板材的生產成本大多數高于33美元/kg,是鋁板材的6~15倍,鋼板材的45~83倍。
2. 3D打印在汽車行業的運用
3D打印,大家的第一印象可能都是各種塑料的打印物品。主要原因是目前最普及的桌面級3D打印機基本都采用了熔融沉積成型技術(FDM),材料多為PLA、ABS這樣的塑料。目前制備金屬的3D打印技術主要有:選擇性激光燒結(SLS)、電子束選區熔化(EBSM)、激光近凈成形(LENS)等。
增材制造(3D打?。┘際躋訝懷晌蠢粗圃煲搗⒄溝鬧匾魘浦?。隨著產品精度的提高和成本的的降低,3D打印技術在汽車、航空以及醫療等行業取得了越來越多的應用和進展。如圖1所示,未來,隨著電子和汽車工業的發展,兩個領域的產值規模有望進一步提升。

2.1  3D打印在汽車行業的應用范圍
(1)首先3D打印可以應用在整車造型上,通過這個工藝可以1:1全尺寸按著設計師的要求打造。整車開發中需要對汽車的外形、內飾等外觀造型進行設計、評審和確定。
(2)通過3D打印可以對設計進行驗證,對產品的可靠性(安裝結構、零件匹配、結構強度等)進行驗證,同時也為了彌補整車試驗處于整車開發中后期帶來的設計風險,需要在設計前期進行驗證。
(3)同樣面對一些結構復雜零件,無法采用傳統的制造工藝進行制造,或者常規制造成本非常高昂,那么運用3D打印工藝可以很好地解決。
(4)汽車輕量化在產品開發中占據了舉足輕重的位置,有了3D打印技術,使得塑料乃至金屬制造中的輕量化結構零件成為了可能,而不再靠單一的傳統工藝。
(5)通過3D打印技術,除了在汽車的零部件上,生產線上的裝配零件、測量工具、檢具也同樣適用。
2.2  3D打印在汽車行業應用實例
公司 3D打印應用情況
寶馬BMW 旗下勞斯萊斯中采用超過10,000個3D打印零部件,這些零部件包括危險警告燈、中心鎖按鈕、電子停車制動器、插座等。
大眾 葡萄牙大眾Autoeuropa工廠一直在使用3D打印機生產在裝配線上使用的模具組件,節省了16萬美元工具成本。
Local motors 世界首輛3D打印汽車Strati,Strati整個制造過程僅用時44個小時,車身3D打印一體成型,全車僅40多個零件,所用耗材為碳纖維增強熱塑性材料。
福特汽車 第一家使用Stratasys Infinite Build 3D打印機的汽車制造商,正在探索如何利用3D技術打印大型一體式汽車零部件。
可以為客戶個性化定制配件。
Divergent Microfactories公司 全球首款3D打印超級跑車“Blade”。Blade車身大部分由碳纖維制造,底盤由大約70個3D打印的“鋁節點”拼接構成,質量輕,整車量約640kg。
EOS & 英國金屬粉末制造上GKN 聯手為汽車行業提供3D打印的零部件并由此引領“企業對企業的工業級3D打印”潮流。
布加迪公司 3D打印鈦合金卡鉗,每毫米能夠承受125公斤的壓力,整個卡鉗僅重2.9公斤;相比現在Chiron使用的鋁制卡鉗整整輕了2公斤。

2.3  3D打印在汽車行業的優勢
一輛汽車從產品規劃到投放市場經歷一段相當長的時間,一個全新的產品的開發最長需要經歷57個月。而之前還需要更長的時間進行技術研究。通過3D打印工藝,可以大大縮短生產周期。企業可以提高效率。其次,可以通過在開發過程中,更加注重產品的可靠性。再次,可以解決產品生產過程的限制問題,比如說某些零件通過傳統工藝達不到。在成本上,降低產品開發費用,無需制造磨具和特定的生產線。最后,可以實現汽車產品的個性化,適宜小批量個性化制造。
2.4  3D打印在汽車行業的不足
3D打印仍然處于研發階段,沒有達到成熟的程度,短時間內還不能代替傳統工藝。表面質量尚有差距,需要拋光、染色、電鍍、噴漆等后續處理。材料上的選用也仍有局限性。目前,整體產業鏈尚不成熟。
2.5 3D打印未來趨勢
新一代汽車設計更重視車身的輕量化、燃料的低消耗、發動機的低噪聲及輕振動,以滿足環境日益苛刻的要求。在這種背景下,輕金屬鈦將成為未來汽車的一種主要應用選擇材料。鈦合金最終將在汽車工業生產中占有重要的地位。
汽車行業市場空間巨大,為3D打印在汽車領域的應用提供了廣闊的市場基礎。如圖2所示,2016年,全球銷售汽車9,385萬輛,在研發、生產環節的生產總值超過萬億美元。假如未來全球汽車產值保持在2016年的水平,那么,3D打印只要占有其中1%的市場份額,就能達到百億美元的市場空間。

結語
中國增材制造(3D打?。┎到衲甏叢斐僖詰牟?,是《中國制造2025》的發展重點,正在推動汽車產業的加速變革?!緞卸蘋訪魅繁硎?,要在汽車新品設計、試制階段,利用增材制造技術實現無模設計制造,縮短開發周期。采用增材制造技術一體化成型,實現復雜、關鍵零部件輕量化。未來,我們將不斷見證汽車行業的新飛躍。