长期致力于赛车零部件制造与创新的Spyros Panopoulos 团队，通过其专利技术与先进材料，研发了用于极限赛车运动的涡轮增压器、叶轮、活塞等动力总成零部件。经过多年发展，在技术创新的道路上， Panopoulos 团队融入了3D打印技术与创成式设计，并通过这些技术为赛车、超级跑车减重与提升动力性能提供技术上的加持。

值得期待的是，在Panopoulos 团队开展的超级跑车开发项目中，应用了多种3D打印零部件，包括碳纤维3D打印连杆、陶瓷3D打印活塞等极具创新性的零部件，这款跑车将在2021年日内瓦车展上亮相。

本期，3D科学谷将与谷友一起抢先看来自赛车制造团队的3D打印前沿应用，并回顾民用汽车制造领域取得的3D打印应用进展。

 追求极致的轻量化

赛车与飞机零部件制造团队Spyros Panopoulos 开展了一个超级跑车开发项目“Chaos”，该项目包括两种不同配置的超级跑车。两种版本的相同之处为，均配备4升V10铝合金发动机，发动机具有20个喷油器，40个气门，钛合金曲轴，钛/铬镍铁合金气门，以及由碳纤维和钛合金制造的大型双涡轮增压器，该涡轮增压器的涡轮由陶瓷复合材料制造。

其中一种配置的跑车安装了钛合金3D打印活塞和连杆，可加速至11,000 rpm，并具有2,000马力的动力。

3D打印碳纤维连杆与陶瓷活塞。来源：Spyros Panopoulos

另一种配置的跑车，发动机转速提高至12,000 rpm。这款跑车安装了碳纤维连杆和3D打印的陶瓷复合材料活塞。陶瓷复合材料以高强度、重量轻、硬度和几乎完全的抗热膨胀性著称，而能够作为航天飞机制造中使用的材料。该跑车的最高功率不低于3,000马力。

根据3D科学谷的市场观察，Spyros Panopoulos 团队早在1997年就致力于制造极限赛车中的连杆、涡轮增压器、气门、发动机缸体，以及飞轮和完整发动机。使用新材料、先进制造技术以及设计方式，是他们在赛车动力总成零部件制造中保持创新活力和突破车辆极限动力的推动力。Panopoulos 团队获得了众多创新、专利技术和成就。

例如在新材料应用方面，Panopoulos 团队曾在2015年，将Tennalum合金材料用于赛车制造，这种合金具有高达700 MPa的屈服强度（比7075合金高出30％以上），良好的延展性。以及与7075相似的耐腐蚀性以及其他对高性能组件/设备设计人员有利的功能。在强度/重量比方面，Tennalum比7075高33％。

Gen2专利技术制造的叶轮。来源：Spyros Panopoulos

Panopoulos 团队拥有涡轮增压叶轮设计与制造的专利技术-Gen2，采用该技术制造的叶轮具有10个叶片，材料为“超级合金970 mpa”，该材料比钛Ti6AL4v重量轻43％，但强度高35％。这一涡轮增压器压气机叶轮，在空气动力学方面得到了革命性的改进，其初级叶片的径向向内的部分向上扫入压气机的上部区域。得益于优化的几何形状，其性能提高了35-80％。2016年，该团队将碳纤维压缩机盖用于涡轮增压器中，并采用Gen2专利技术制造碳纤维和劳伦纤维复合材料的涡轮增压器叶轮，这些复合材料比铝轻8-10倍。

近年来，Panopoulos 展开了对下一代材料、增材制造以及创成式设计方式的研究。2019年，他们在这一领域取得了显著进展。

3D打印碳纤维连杆。来源：Spyros Panopoulos

上图是3D打印碳纤维连杆，也是“Chaos”项目其中一款跑车中安装的连杆。下图是Panopoulos 开发设计的赛车3D打印活塞，材料包括H13不锈钢和Ti6AL4v钛合金 。

3D打印活塞设计。来源：Spyros Panopoulos

3D打印钛合金连杆、活塞。来源：Spyros Panopoulos

Panopoulos 团队开发了面向增材制造汽车零部件开发的创成式设计软件”anadiaplasi”，并通过anadiaplasi设计了一系列3D打印零部件，包括3D打印陶瓷、钛合金材料的连杆、活塞，以及安全性部件制动钳。

3D打印制动钳。来源：Spyros Panopoulos

3D打印与创成式设计所实现的轻量化，是提高超级跑车动力的重要砝码之一。根据Panopoulos，其团队对首款量产跑车的减重目标是总车重小于1,150千克，每减少一公斤重量可产生超过2马力的动力，他们已为时速超过500 公里/小时的空气动力学性能做好准备，在加速度方面，他们的技术已为时间2秒内加速至100公里/小时，7秒内加速至400公里/小时做好准备。

以上仍不是“Chaos”超级跑车的全貌，预计在20201年的日内瓦车展上，将可以看到它的全部科技。除了以上这些通过anadiaplasi创成式软件设计的3D打印零部件，还将看到错综复杂的LED刹车灯阵列、3D打印钛合金排气管，碳纤维车身，以及由一种热固性材料制造的一体式底盘，这是一种可用于制造防弹衣的材料，其强度是芳纶的1.6倍。

 3D科学谷Review

虽然，汽车制造领域对于3D打印技术的应用存在着质疑的声音，制约3D打印走向汽车零部件批量生产的挑战也尚未完全被克服。但是有一批勇于尝试新技术的企业，在对未来存在不确定性的请况下，不断的优化增材制造技术解决方案，他们在增材制造设计、材料性能及成本、打印质量与效率等方面，推动3D打印技术在汽车零部件制造应用中快速发展。3D科学谷归纳了以下具有代表性的5个方面：

来源：3D科学谷《3D打印与新能源汽车白皮书》

l 批量生产中的经济可行性

EDAG与西门子的合作达到了一个重要的里程碑，EDAG最近展示了与西门子数字工业公司合作开发的3D打印主动冷却剂分配器，并首次安装在“EDAG SCALEbat”电池外壳中。

3D打印冷却剂分配器。来源：EDAG

借助西门子的Siemens CFD拓扑优化软件，与传统设计方法相比，冷却剂分配器将压力损失减少了22％。由于产品性能获得的明显提升，这款冷却剂分配器如同GE所规模生产的喷油嘴一样，面临着产业化生产的需求。

将惠普的工业级HP Jet Fusion 5200 3D打印设备集成到西门子的数字企业解决方案中，可以比以前更快，更经济，更可持续地生产这种冷却剂分配器。而基于高达30万件的规模化生产概念证明了在批量生产中通过3D打印制造零部件的经济可行性。

l 优化设计与摆放方式，提高打印效率

宝马i8 Roadster 在顶棚支架制造中使用了粉末床金属激光熔化3D打印技术，该技术随着 i8 Roadster 而进入到了量产阶段。

i8 Roadster 顶棚支架

根据宝马的增材制造合作伙伴SLM Solutions, 3D打印支架的材料为铝合金，设计时采用了拓扑优化，其重量比原来的注塑支架还要轻44%，但刚度提升至原来的10倍。宝马还对3D打印支架的支撑与摆放方式进行了优化，在一个基板上可打印的支架从最初的51个，达到了238个，显著提高了增材制造效率。

l 多种技术，满足不同车辆的生产需求

宝马有一款创新性的汽车水泵，与标准水泵类似的是，水轮使冷却液通过发动机和整流器循环，将燃烧过程中产生的热量消散。但不同之处是，这个水轮采用整体式设计，优点是重量轻，并具有更高的性能。

来源：Desktop Metal

宝马在赛车中使用了通过选区激光熔化3D打印技术制造的一体化水轮。但这一应用的制造成本高于民用车辆生产的需求，宝马后来采用了Desktop Metal 的生产级粘结剂喷射3D打印技术，对于民用车辆零部件制造而言，更具有经济性。这类设备同一次打印最高可实现150个水轮的生产，单件成本约5美元。

l 安全性部件创新

2018年布加迪发布了其通过带有四激光器的选择性激光熔融3D打印技术所制造的世界首个3D打印的新型八活塞整体式制动钳。而近日，布加迪对3D打印的新型八活塞整体式制动钳进行了令人叹为观止的性能测试。

测试中的布加迪3D打印制动钳

迄今为止用于汽车零部件增材制造生产的主要材料是铝，而布加迪新的制动钳由钛制成。布加迪是与德国汉堡的Laser Zentrum Nord合作实现的，Laser Zentrum Nord中心自2018年初以来成为粉末床激光熔融领域的专家Fraunhofer弗劳恩霍夫研究所的一部分。

布加迪3D打印制动钳测试视频

值得一提的是，布加迪通过粉末床激光熔融3D打印技术来制造新型八活塞整体式制动钳并不是仅仅用于原型，布加迪所进行的性能测试更是进一步揭示了这一创新的产业化前景，3D打印钛制动钳将应用于批量生产的车辆。

l 轻型、更高强度的新材料

德国汽车领域的工程企业EDAG联合材料、科研、增材制造、仿真领域的八家合作伙伴，正在开发一款具有更高强度和更高的断裂延伸率的轻型防撞3D打印铝合金材料-CustAlloy®。

用轻型防撞铝合金材料3D打印的汽车零件。来源：EDAG

EDAG表示，CustAlloy®在强度、延展性、防腐蚀性等方面满足汽车行业的要求，并将成为一款适合汽车轻量化、防碰撞零部件批量生产的3D打印材料。EDAG 针对这款材料开发的增材制造工艺和经过实践检验的仿真模拟方法，都是帮助用户使用这款材料进行零部件批量生产的有效工具。

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在汽车制造领域，铝合金是实现轻量化的主力军，著名咨询公司达科国际公布的研究数据表明，欧洲汽车平均用铝量自1990年已经翻了三倍，由50kg增长到目前的151kg，并将在2025年增长至196kg。[1]

轻量化并不仅仅是要求减重，而是要做到车辆的性能、安全、成本和重量四者之间的平衡。[1] 汽车铝合金零部件制造的要求包括满足碰撞性能，在不同情况下的有效性等。但当前的铝合金增材制造工艺设计，主要是可以制造具有高抗性但并非高韧性的材料，而高断裂延伸率对于满足汽车碰撞时的性能要求尤其重要。

根据3D科学谷的市场观察，德国汽车领域的工程企业EDAG联合材料、科研、增材制造、仿真领域的八家合作伙伴，正在开发一款具有更高强度和更高的断裂延伸率的轻型防撞3D打印铝合金材料。

用轻型防撞铝合金材料3D打印的汽车零件。来源：EDAG

 不仅仅是轻量化

在过去三年中，EDAG与合作伙伴研究了包括粉末制造、仿真模拟、零件开发在内的完整铝合金增材制造工艺链。

在八家合作伙伴中，Fraunhofer研究所（ IAPT）、GE 增材制造（GE Additive）开展的工作是基于粉末床激光熔化（LBM）技术进行这种新型铝合金材料的增材制造工艺开发。Fraunhofer研究所（ ITWM）对增材制造过程中材料快速冷却进行了仿真模拟。汽车制造商梅赛德斯·奔驰和EDAG在仿真企业Altair的支持下，开展了性能仿真。

以上一些列围绕着新型铝合金材料增材制造工艺链的研究，目标是实现轻量化汽车零部件的批量生产。EDAG 与项目合作伙伴在实验阶段，研究了不同的合金材料，最能够满足实现目标需求的材料已在不同的激光熔化3D打印系统上进行了测试。

根据EDAG，合金的独特之处在于它的多功能性，单一合金可以创造出广泛的性能，这些特性可以通过下游热处理工艺灵活地调节。EDAG 根据确定的材料参数生成材料图，并使用Altair OptiStruct软件进行结构优化，减少等幂部件的重量，以及考虑增材制造过程中的要求。

EDAG 选择了多种汽车零部件进行优化，结果表明，动态高负荷的轮架和轮拱区域中具有高刚度要求的复杂组件也能够实现有效的减重。其中部分组件减重达30%，超出了预期。由于这些零部件的制造方式是金属3D打印技术，可以灵活满足批量定制生产，因此这些组件均可以根据不同车辆的负载水平要求进行设计。

新型铝合金研发合伙伙伴对这一铝合金材料给出了积极的肯定，该材料将在几个月后上市，商标为 CustAlloy®。EDAG表示，CustAlloy®在强度、延展性、防腐蚀性等方面满足汽车行业的要求，并将成为一款适合汽车轻量化、防碰撞零部件批量生产的3D打印材料。EDAG 针对这款材料开发的增材制造工艺和经过实践检验的仿真模拟方法，都是帮助用户使用这款材料进行零部件批量生产的有效工具。

 3D科学谷Review

3D打印技术可以解决极端复杂的精密构件加工制造难题，在随形内流道、复杂薄壁、点阵镂空、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题上有先天优势，是3D打印技术快速发展的重要领域。

在3D打印铝合金的应用中，由于传统铝合金的成形特点，大部分牌号不适用于3D打印，仅有适用于3D打印的几种铸铝牌号合金，例如AlSi10Mg、AlSi7Mg。[2]

根据3D科学谷的市场观察，在2019年，铝合金3D打印材料取得了显著的进展，主要体现在新型高强度3D打印铝合金材料的出现。以下三种高强度铝合金新材料颇为典型：

苏州倍丰创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士领导的莫纳什大学研究团队成功开发出了牌号为Al250C 的高强高韧增材制造专用铝合金材料，该材料强度达到目前可用于3D打印的铝合金材料中最高水平，屈服强度可达580MPa，抗拉强度590MPa以上，延伸率可达11%，用该材料制作航空铝合金3D打印结构件，更有希望替代目前航空航天上的部分钛合金构件，达到航天航空领域降低重量与节约成本的目的。

英国的铸造企业Aeromet International 通过铝合金粉末A20X所制造的零件已经超过500MPa的极限拉伸强度（UTS）。Aeromet 称，这一成就使的该铝合金材料成为“市售的用于增材制造的最强铝合金粉末之一”。

HRL实验室在2019年10月，将开发的3D打印用高强度7A77.60L铝粉正式投放市场。成型后的材料无裂纹、等轴（即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度，3D打印的铝合金材料平均屈服强度高达580 MPa，极限强度超过600 MPa，平均延伸率超过8％。

新出现的高强度铝合金3D打印材料，侧重于在航空航天高附加值零件制造中的应用。对于汽车制造领域而言，常用铝合金材料成本较低，但目前金属3D打印仍属于成本高的技术，这似乎成为铝合金3D打印技术在汽车零部件批量生产中应用的阻力。

然而，从EDAG 在过去几年中所开展的汽车零部件3D打印项目中可以看到，EDAG 致力于开发具有颠覆性的新一代车辆以及一些高附加值汽车零部件，例如EDAG 与德国博世合作设计的概念车Soulmate, 其轻量化车身由3D打印“骨架结构” 和一层轻薄的覆盖外层所构成，其中的3D打印“骨架结构” 制造方式也为粉末床激光熔化工艺。

在3D科学谷看来，EDAG 即将推出的 CustAlloy® 3D打印铝合金材料，或将面向在设计上极具颠覆性的下一代车辆。当然，由于目前该材料的价格，以及强度、延伸率等具体性能尚未浮出水面，3D科学谷将对该材料的市场竞争力继续保持市场观察。

更多关于铝合金3D打印市场情况与发展趋势，敬请关注3D科学谷将于近期发布的《铝金属3D打印白皮书1.0》。

参考资料：

[1] 材料牛.《铝合金：汽车轻量化的主力》

[2] 北京宝航新材料. 《性能优良的铝合金材料，如何突破3D打印瓶颈？》

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如今，EDAG与西门子的合作达到了一个重要的里程碑，EDAG最近展示了与西门子数字工业公司合作开发的3D打印主动冷却剂分配器，并首次安装在“EDAG SCALEbat”电池外壳中。 这种带有复杂冷却回路的冷却剂分配器，正是3D打印站在“上风口”的典型应用。

 3D打印站在“上风口”的典型应用

3D打印的冷却剂分配器的任务是有效地消散快速充电过程和负载循环期间产生的热量。根据产生的热量，各个电池模块由集成的阀门控制器通过各种冷却回路主动控制，并根据需要进行冷却。借助西门子的Siemens CFD拓扑优化软件，与传统设计方法相比，冷却剂分配器将压力损失减少了22％。

3D打印冷却剂分配器。来源：EDAG

由于产品性能获得的明显提升，这款冷却剂分配器如同GE所规模生产的喷油嘴一样，面临着产业化生产的需求。

将惠普的工业级HP Jet Fusion 5200 3D打印设备集成到西门子的数字企业解决方案中，可以比以前更快，更经济，更可持续地生产这种冷却剂分配器。而基于高达30万件的规模化生产概念证明了在批量生产中通过3D打印制造零部件的经济可行性。

而该项目中的冷却剂分配器面向产业化生产发展的趋势，进一步说明了3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中所强调的仿真驱动设计，设计赋能3D打印附加值创造的逻辑。

 3D科学谷Review

很多时候，企业无法实现从1到n的产业化发展，是因为陷入了下风口的僵局。而想要从“下风口”转移到“上风口”是充满挑战的，仅仅从对公司实力的要求上看，这两个风口对公司实力和人才水平的要求差距很大。

就专注于研发设备与材料的3D打印领域厂家来说，很难依靠自身的实力引领其用户从“下风口”转移到“上风口”。

而依靠用户自身对3D打印的了解，更难下定转型的决心，这其中除了像GE, 西门子这样产业链健全的应用型企业可以主动实现制造转型之外，在还会触及到动一发而牵全身的供应链的重新改造，技术的挑战、原有固定资产的投入或归零、人才的重新培训需求，各种“大山”使得当前的3D打印应用从下风口转移到上风口的路途举步维艰。

在这方面，EDAG做了很好的示范，EDAG是一家在汽车制造商背后的全力以赴、专门致力于开发3D打印汽车技术的工程公司。EDAG不仅探索如何创建通过传统制造工艺难以实现的零件设计实现从0到1的创新开发工作，还积极的探索从1到n的产业化发展路径。下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》

就在2019年汉诺威工业博览会期间，西门子与EDAG还宣布了加强合作的计划。一个典型的产品是“Next Gen Space frame 2.0”智能模块化系统。这是EDAG和西门子以及Constellium，Fraunhofer IAPT，Concept Laser和BLM共同完成的轻质铝合金结构。

“Next Generation Space Frame 2.0”智能模块化系统结合了仿生力学设计和增材制造节点以及高强度，吸收能量的铝合金挤压型材。该概念提供极其灵活的制造解决方案，使其能够支持越来越多的交通产品，同时仍考虑经济因素。

EDAG工程公司在生产过程领域提供的专业知识为合作做出了重大贡献。已经创建了量身定制的未来工厂概念，使得为增材制造开发的组件也能够以更大批量生产并转移到实际的批量生产中。

另一个经典的案例是EDAG工程发起的一个3D打印轻量化汽车引擎盖铰链的设计与制造项目-LightHinge+ 。在这个轻量化铰链的设计与制造过程中，EDAG 公司与其合作伙伴一起，通过拓扑优化设计、仿真分析、3D打印技术设计与制造了一个3D打印汽车引擎盖铰链，铰链在实现轻量化的同时，兼顾到了汽车制造业对安全稳定性的需求。通过仿真分析，项目组对该铰链的3D打印预期进行了有效控制。

视频：3D打印引擎盖铰链。来源：EDAG

汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，已成为汽车发展的潮流。3D打印技术在制造复杂轻量化结构零件方面，给予了设计师更广阔的设计空间。而EDAG正与其合作伙伴一起在引领3D打印应用于汽车轻量化的新技术潮流。

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