钛合金及3D打印在汽车行业的应用


1.钛合金在汽车工业的应用现状
钛金属具有密度小、比强度高、耐蚀性好的优点,汽车采用钛材料可极大地减轻车身质量,降低燃料消耗,提高发动机的工作效率,改善环境和降低噪声。但是昂贵的价格,使得钛合金在汽车工业中只能在豪华车型和跑车上有一些应用,在普通汽车上鲜有应用。因此,研究与开发适应市场需要的低成本钛合金是推动其应用于普通家用汽车的关键。
1.1钛在汽车零部件的使用情况
尽管钛合金已广泛应用于航空航天、石油化工以及舰船工业上,但是在汽车工业中的应用却发展缓慢。从1956年美国通用公司研制成功第一辆全钛汽车开始,钛制汽车零部件直到20世纪80年代才达到批量生产的水平,90年代随着豪华汽车、跑车、赛车需求量的逐年增加,钛制零部件才得到了飞快发展。钛制零部件可以减少汽车总质量。根据设计和材料特性,钛在新一代汽车上主要分布在发动机元件和底盘部件上。钛可制作发动机系统阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件以及底盘部件中的弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。
表1 钛制零部件在汽车中的使用情况
部件名称 原材料 制造商 优势
连杆 Ti-6Al-4V 法拉利轿车 减轻发动机质量,提高燃油利用率和减少排气量发动机气门 Ti-6Al-4V 日本日立公司 减轻重量,延长使用寿命,而且可靠性高,还可节省燃油
气门弹簧座 Ti-22V-4Al 三菱 减轻重量,成本低钛合金弹簧 Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5A Ti-13V11C-3Al Timet 减轻重量,耐腐蚀性好,减少剪切模量
涡轮增压器  Mitsubishi 提高发动机的燃烧效率并增强发动机的功率及扭力排气系统 工业纯钛 Golf系列车 可靠性高、延长寿命和改善外观,减少质量,提高燃料燃烧效率
回气管 钛制 Timet 耐腐蚀性好,节约燃料,较短的制动距离
车体框架 钛制  安全性可靠性高,韧性好

1.2钛合金在汽车中应用优点
钛合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点,故被广泛应用在汽车工业中,应用钛合金最多的是汽车发动机系统。利用钛合金制造发动机零件有很多好处,主要表现在:
(1)钛合金的密度低,可以降低运动零件的惯性质量,同时钛气门弹簧可以增加自由振动,减弱车身的振颤,提高发动机的转速及输出功率。
(2)减小运动零件的惯性质量,从而使摩擦力减小,提高发动机的燃油效率。
(3)选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力,缩小零件的尺寸,从而使发动机及整车的质量减轻。
(4)零部件惯性质量的降低,使得振动和噪声减弱,改善发动机的性能。
钛合金在其他部件上的应用可提高人员的舒适度和汽车的美观等。在汽车工业上的应用,钛合金在节能降耗方面起到了不可估量的作用。
1.3钛合金在汽车中应用缺点
钛合金零部件尽管具有如此优越的性能,但距钛及其合金普遍应用在汽车工业中还有很大的距离,原因包括价格昂贵、成形性不好及焊接性能差等问题。但近年来钛合金通过近净成形技术及电子束焊、等离子弧焊、激光焊等现代焊接技术的发展,钛合金的成形及焊接问题已不再是制约钛合金应用的关键因素,阻碍钛合金普遍应用于汽车工业的最主要原因还是成本过高。
钛合金的价格都远远高于其他金属,用连杆钛材8~13美元/kg,气阀用钛材13~20美元/kg,弹簧、发动机排气系统及紧固件用钛材希望在8美元/kg以下。而目前用钛材料生产的零件成本比这些价格高了很多,钛板材的生产成本大多数高于33美元/kg,是铝板材的6~15倍,钢板材的45~83倍。
2. 3D打印在汽车行业的运用
3D打印,大家的第一印象可能都是各种塑料的打印物品。主要原因是目前最普及的桌面级3D打印机基本都采用了熔融沉积成型技术(FDM),材料多为PLA、ABS这样的塑料。目前制备金属的3D打印技术主要有:选择性激光烧结(SLS)、电子束选区熔化(EBSM)、激光近净成形(LENS)等。
增材制造(3D打印)技术已然成为未来制造业发展的重要趋势之一。随着产品精度的提高和成本的的降低,3D打印技术在汽车、航空以及医疗等行业取得了越来越多的应用和进展。如图1所示,未来,随着电子和汽车工业的发展,两个领域的产值规模有望进一步提升。

2.1  3D打印在汽车行业的应用范围
(1)首先3D打印可以应用在整车造型上,通过这个工艺可以1:1全尺寸按着设计师的要求打造。整车开发中需要对汽车的外形、内饰等外观造型进行设计、评审和确定。
(2)通过3D打印可以对设计进行验证,对产品的可靠性(安装结构、零件匹配、结构强度等)进行验证,同时也为了弥补整车试验处于整车开发中后期带来的设计风险,需要在设计前期进行验证。
(3)同样面对一些结构复杂零件,无法采用传统的制造工艺进行制造,或者常规制造成本非常高昂,那么运用3D打印工艺可以很好地解决。
(4)汽车轻量化在产品开发中占据了举足轻重的位置,有了3D打印技术,使得塑料乃至金属制造中的轻量化结构零件成为了可能,而不再靠单一的传统工艺。
(5)通过3D打印技术,除了在汽车的零部件上,生产线上的装配零件、测量工具、检具也同样适用。
2.2  3D打印在汽车行业应用实例
公司 3D打印应用情况
宝马BMW 旗下劳斯莱斯中采用超过10,000个3D打印零部件,这些零部件包括危险警告灯、中心锁按钮、电子停车制动器、插座等。
大众 葡萄牙大众Autoeuropa工厂一直在使用3D打印机生产在装配线上使用的模具组件,节省了16万美元工具成本。
Local motors 世界首辆3D打印汽车Strati,Strati整个制造过程仅用时44个小时,车身3D打印一体成型,全车仅40多个零件,所用耗材为碳纤维增强热塑性材料。
福特汽车 第一家使用Stratasys Infinite Build 3D打印机的汽车制造商,正在探索如何利用3D技术打印大型一体式汽车零部件。
可以为客户个性化定制配件。
Divergent Microfactories公司 全球首款3D打印超级跑车“Blade”。Blade车身大部分由碳纤维制造,底盘由大约70个3D打印的“铝节点”拼接构成,质量轻,整车量约640kg。
EOS & 英国金属粉末制造上GKN 联手为汽车行业提供3D打印的零部件并由此引领“企业对企业的工业级3D打印”潮流。
布加迪公司 3D打印钛合金卡钳,每毫米能够承受125公斤的压力,整个卡钳仅重2.9公斤;相比现在Chiron使用的铝制卡钳整整轻了2公斤。

2.3  3D打印在汽车行业的优势
一辆汽车从产品规划到投放市场经历一段相当长的时间,一个全新的产品的开发最长需要经历57个月。而之前还需要更长的时间进行技术研究。通过3D打印工艺,可以大大缩短生产周期。企业可以提高效率。其次,可以通过在开发过程中,更加注重产品的可靠性。再次,可以解决产品生产过程的限制问题,比如说某些零件通过传统工艺达不到。在成本上,降低产品开发费用,无需制造磨具和特定的生产线。最后,可以实现汽车产品的个性化,适宜小批量个性化制造。
2.4  3D打印在汽车行业的不足
3D打印仍然处于研发阶段,没有达到成熟的程度,短时间内还不能代替传统工艺。表面质量尚有差距,需要抛光、染色、电镀、喷漆等后续处理。材料上的选用也仍有局限性。目前,整体产业链尚不成熟。
2.5 3D打印未来趋势
新一代汽车设计更重视车身的轻量化、燃料的低消耗、发动机的低噪声及轻振动,以满足环境日益苛刻的要求。在这种背景下,轻金属钛将成为未来汽车的一种主要应用选择材料。钛合金最终将在汽车工业生产中占有重要的地位。
汽车行业市场空间巨大,为3D打印在汽车领域的应用提供了广阔的市场基础。如图2所示,2016年,全球销售汽车9,385万辆,在研发、生产环节的生产总值超过万亿美元。假如未来全球汽车产值保持在2016年的水平,那么,3D打印只要占有其中1%的市场份额,就能达到百亿美元的市场空间。

结语
中国增材制造(3D打印)产业今年创造超过百亿的产值,是《中国制造2025》的发展重点,正在推动汽车产业的加速变革。《行动计划》明确表示,要在汽车新品设计、试制阶段,利用增材制造技术实现无模设计制造,缩短开发周期。采用增材制造技术一体化成型,实现复杂、关键零部件轻量化。未来,我们将不断见证汽车行业的新飞跃。