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鋼材,特別是不銹鋼和工具鋼,是工具和生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中可靠且常用的材料。然而,用于增材制造的鋼材還是不常見(jiàn)的。它存在,但它不如其他金屬材料那么常見(jiàn)。這對(duì)于增材制造行業(yè)來(lái)說(shuō),是一大不幸,因?yàn)殇摼哂性S多高度有用的特性,例如高強(qiáng)度和耐腐蝕性。幸運(yùn)的是,一種新型鋼材最近進(jìn)入了增材制造市場(chǎng),然而是以GKN Sinter Metals的20MnCr5形式出現(xiàn)。
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20MnCr5堅(jiān)固且堅(jiān)韌,并易于加工,具有很高的抗疲勞性和耐磨性。Porsche Engineering最近將這種材料用于其電子驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的3D打印部件,即傳統(tǒng)的前部橫向傳動(dòng)裝置。為了獲得最佳效益,選擇了具有最大減重潛力的部件-帶齒圈的差速器殼體。
齒圈和差速器殼體在常規(guī)變速器中具有不同的功能。齒圈由特殊鋼制成,然后經(jīng)過(guò)硬化和精密研磨。通常用鑄造制成的差速器殼體用于從環(huán)形齒輪到中心螺栓和錐齒輪的扭矩傳遞。寬齒圈的齒由薄的、有時(shí)偏離中心的圓盤(pán)支撐,該圓盤(pán)連接到差速器殼體。GKN和Porsche使用CAD軟件和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)基于力的新形狀。然后定義變速器內(nèi)的最大可用空間。任何功能(如錐齒輪、側(cè)軸和軸承)所需的所有內(nèi)部輪廓均從車(chē)身中減去。
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根據(jù)變速器的規(guī)格和要求,包括軸承和齒輪在內(nèi)的所有負(fù)載都被應(yīng)用于封裝塊。CAD優(yōu)化工具創(chuàng)建了一個(gè)能夠承擔(dān)所有所需負(fù)載的結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不能通過(guò)增材制造以外的任何其他手段來(lái)制造。
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內(nèi)部形狀僅由系統(tǒng)的有機(jī)梁和其結(jié)構(gòu)完整性所需的結(jié)構(gòu)支撐。這些形狀不能用傳統(tǒng)方法加工。該結(jié)構(gòu)還需要諸如孔的特殊特征,以在制造之后噴出未使用的金屬粉末,并且外徑上的開(kāi)口使得收集的油可以從差速器的內(nèi)部區(qū)域排出。這些功能都可以在CAD模型中進(jìn)行規(guī)劃。
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最終的有限元分析顯示了均勻的應(yīng)力水平和允許的壁厚減少,由于機(jī)器限制,使用其他制造方法是不可能實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)原始負(fù)載要求,該團(tuán)隊(duì)能夠減少13%的重量,或約1公斤。他們?cè)趶较蛏系凝X剛度減少了43%,在切線方向上的齒剛度減少了69%,慣性減小了8%。無(wú)論是減輕重量,創(chuàng)建更高效的內(nèi)燃機(jī),還是改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng),汽車(chē)制造商都在不斷尋找提高車(chē)輛效率的方法。
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越來(lái)越多的制造商正在轉(zhuǎn)向增材制造,以制造原型甚至制造零件,其中許多零件的幾何形狀無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。再加上新型3D打印材料,比如GKN的20MnCr5,制造商能夠制造復(fù)雜、輕質(zhì)的部件,以承受高磨損。
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GKN一直在探索汽車(chē)增材制造的好處,而這個(gè)最近的應(yīng)用強(qiáng)調(diào)了3D打印的幾個(gè)關(guān)鍵功能。