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汽车案例研究

原型制作是制造卓越汽车的强大推动力

汽车巨头 BMW 和 Jaguar Land Rover,以及 Minimizer 等精密零配件供应商,都发现 3D 打印是加速汽车设计和制造的最佳方式。

Lamborghini FDM 原型左侧

Lamborghini 的新 Aventador 旗舰型双座跑车已成为 2011 年度顶级跑车。它能够在 2.9 秒内从 0 加速到 60 mph,最高时速 230 mph,而造价不到 400,000 美元。Aventador 比上一代的 Murciélago 强大 9%,省油 20%,而且轻 6%。

决定 Aventador 极致性能的关键是其碳纤维增强复合材料 (CFRC) 制作的单体结构,其为整体式车体-底盘机构的核心。该单体结构是一块 81 英寸长、74.5 英寸宽、40 英寸高的单块 CFRC 壳体,是所有量产汽车中最大的 CFRC 组件。这块单体结构重 324.5 磅,整个车体和底盘重量只有 505 磅,令人难以置信。

高风险

Lamborghini FDM 原型右侧

Automobili Lamborghini S.p.A. 由 Audi 所有,与其他如 Porsche、Bugatti 和 Bentley 等同属 Volkswagen Group 旗下。位于华盛顿大学的 Automobili Lamborghini 先进复合结构实验室(简称 Lamborghini 实验室)与 Lamborghini 合作,为构成 Aventador 50% 重量的 CRFC 组件提供详细的设计、质量控制、工艺改进和机械测试。许多物理原型都需要验证组装配合性、验证有效负载路径,并确认和纠正计算机屏幕上无法察觉的问题。

“我们必须一次性得到正确的设计,因为仅用于制造该单体结构的加工费用就高达数百万美元,”华盛顿大学飞行材料和结构专业教授、Lamborghini 实验室主任 Paolo Feraboli 表示。

举例来说,如果采用传统方法构造该单体结构的内部管路原型,则需要制作成比例的加工工具,并采用 CFRC 将原型叠加起来。这将会耗费约四个月时间及 40,000 美元来构建工具和叠加缩小的部件。

“我们想了解是否存在一种快速原型制作方法来制造强度足以承受装配和操控的部件,”Feraboli 说。“我们也有兴趣制作快速加工工具来叠加较小的部件,这些部件需要具有足够的机械强度和高温性能。”

理想的系统

Lamborghini FDM 原型下单体结构

Fortus 构建的外壳大小适中,足以生产单件式车身和底盘的 1/6 比例模型。Lamborghini Lab 在两个月之内构建出车身和底盘的 1/6 比例原型,包括打印出零件并组装。内部管道的构建时间为 6.3 天,材料花费 560 美元。总的构建和加工时间,包括支撑移除、打磨、上漆等为 20 天。包括材料、人工和加工时间的总成本为 3,000 美元。

“Fortus 的灵活性使其能够使用工业级热塑性塑料打印高强度、高分辨率的模型,以及用高性能工程塑料定制复合工具,且花费仅为传统制造方法的几分之一,确实是理想的选择,”西雅图的 Stratasys 经销商 CIMtech 的 Tom Goulet 评论说。

大量迭代

“在设计过程中制作的原型的大量迭代能够帮助在装配过程中提供更好的配合,并改善负载路径,”Feraboli 说。

位于意大利 Sant’Agata Bolognese 的 Automobili Lamborghini S.p.A. 也拥有两台 Stratasys 设备:一台 Fortus 3D 生产设备和一台 Dimension 3D 打印机。Lamborghini 的高级副总裁及首席技术官 Maurizio Reggiani 表示:“我们大量使用了 FDM 来为 Aventador 的七速变速箱制作功能性原型,该变速箱能提供 50 毫秒的换挡时间,在所有量产型车辆中速度最快。“基于独立换挡杆概念的单向离合变速箱与 CFRC 单体结构和推杆式悬挂一样,是 Aventador 的标志之一。

在发表 Aventador 后不久,Lamborghini 便宣布该车型的首年产量已经售罄。“Aventador 只是第一步,”Feraboli 说,“碳纤维的用途不局限于高性能汽车。它能够帮助任何车辆降低油耗和排放。我们期待着为我们更为大众化的车型使用越来越多的碳纤维。”

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