通用汽车通过3D打印开发具有定制化刚度的轻巧连杆
虽然我们大多认为3D打印在新能源汽车领域拥有广阔的前景，似乎将3D打印与传统汽车的结合点并不多见，然而在内燃机方面，汽车厂也在进行着积极的尝试。近日通用汽车通过3D打印开发了一种具有定制化刚度的轻巧连杆。
来源：US10487868B2
强度与刚度的优化，更加轻量化
通用汽车开发的轻质连杆包括第一端，第二端和臂。第一端是可枢转地连接到活塞的构造，第二端是可枢转地连接到曲轴的构造。臂在第一端和第二端之间延伸。连杆的内部区域包括由点阵填充的轻量化空间。
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材料方面臂可以由铝合金、钛合金及其金属材料组合制造。与使用钢相比，使用钛或铝可减少30％的质量，也可以使用金属基复合材料或非金属材料，例如碳纤维复合材料。连杆用于内燃机中，将活塞的往复运动转换为旋转运动当活塞在动力冲程下移时，连杆作用在曲轴上以使其旋转。在车辆行驶过程中，曲轴的端部连接至变速器，因而减轻车辆关键部件的重量对于提高燃油经济性很重要。除了轻量化之外，连杆还必须表现出高强度和刚度的机械特征。总之，连杆应设计得坚固，并尽可能轻。
增材制造可以实现复杂的结构，包括连杆内部的点阵结构。而在轻量化的连杆边缘处，臂的侧面以基本上直角的角度汇合在一起，边缘可以是圆形的。倒圆的边缘在减小连杆的阻力方面特别有利，因为连杆在内燃机中以很大的速度往复运动。倒圆的边缘在减小拐角处的应力集中和改善疲劳寿命方面特别有利。
增材制造特别适合于形成复杂的几何形状，3D打印的连杆可以具有高度复杂的内部结构和自由曲面的外型。几何形状方面可以不断的改变曲率，内部点阵结构，通道截面的几何形状等。此外，在整个连杆中，诸如密度（空隙），重量，强度，刚度，挠度和材料成分等特性可以改变。结合有点阵结构设计的连杆的优点在于，与实心连杆相比，它们可以设计成具有高强度和高刚度的零件同时却拥有较轻的重量。通过增材制造形成的连杆可以是整体成型的单件一体化的整体结构。增材制造工艺可以高度控制连杆内的局部刚度和挠曲度，通过优化点阵晶格结构设计，可以改善连杆的强度和刚度。
Review
连杆的轻量化设计与3D打印技术的结合是业界一个值得关注的发展方向。就文中提到的材料方面来说，以3D科学谷的市场观察，目前以粉末床选区金属熔化技术结合HIP热等静压后处理方式加工钛合金Ti6Al4V材料的效果很好。文中提到了碳纤维复合材料，目前尽管碳纤维复合材料的原型制作非常出色，而且在XY方面都非常坚固，但需要考虑材料是否完全致密且完全各向同性，目前基于挤出的3D打印系统对此是难以实现的。有一些层压板工艺可模仿常规的碳纤维预浸料板进行铺层制造，但又不是各向同性的。虽然混合有短切碳纤维材料的塑料包括PEEK或者Ultem来实现3D打印并非不可能，不过目前还是存在很多挑战。
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