一種適用于電驅動動力總成零部件3D打印合金鋼材料
當今的汽車制造商面臨著提高電動汽車效率的需求。制造商已經從各個角度解決這個問題：減輕重量、創建更高效的動力傳動系統、降低噪音。不過這個過程是不斷迭代且永無止境的。GKN根據粉末床激光熔化（L-PBF) 增材制造技術的特點，開發了3D打印合金鋼材料20MnCr5。這款材料能夠承受高磨損和負載，并結合3D打印所實現的功能集成進一步減輕重量，應用方向為更高設計自由度、更高效、更集成的動力系統零部件制造。
早在2018年, 吉凱恩與保時捷就利用該材料, 開發增材制造的電子驅動動力總成零部件。近日，吉凱恩揭示了20MnCr5 材料的力學性能，以及雙方在前橫向變速器零件-差速器殼體增材制造設計迭代中的更多細節。
輕量化 – 堅固、耐磨
根據GKN，在粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技術領域，有兩種重要的商用鋼材料：不銹鋼和工具鋼。這些材料以其高耐腐蝕性和高強度，滿足工具制造和醫療器械制造的要求，但是市場上成本適中，具有由性能驅動的機械特性，并且有高耐磨性和疲勞強度的鋼基3D打印材料仍非常有限。
公稱密度和名義成分下的典型性能。來源：GKN
GKN開發了可滿足汽車行業要求的20MnCr5合金鋼材料，20MnCr5合金鋼是一種中等強度的鋼，可以進行表面硬化處理，通常被認為是表面硬化齒輪的基準材料之一。這種合金鋼材料用于粉末床激光熔化3D打印工藝，具有適中的材料成本，強度高且具韌性，具有高疲勞強度，可以通過表面硬化實現優異的耐磨性。
用于L-PBF3D打印工藝的20MnCr5粉末SEM圖像。來源：GKN
該材料的應用方向包括制造應力高且耐磨的齒輪和關節零件、主軸、齒輪與其他機械零件。20MnCr5 材料對于汽車行業來說打開了增材制造的新空間，汽車行業首先可以通過這種材料進行原型制造，然后確認是否可擴展到大規模生產應用。通過3D打印制造的零件允許工程師在幾周內完成設計驗證，并進入到下一輪的設計迭代周期中。在進行20MnCr5材料生產的過程中，內部應力可能導致零件變形，但通過特定的熱處理，可以減少內部應力。
增材制造測試齒輪的熱處理和初始齒根疲勞測試。來源：GKN
如硬化曲線所示，增材制造齒輪達到了齒面所需的淬火深度，但齒面截面卻顯示出較低的值。上圖顯示，增材制造齒輪的核心硬度比16MnCr5鍛鋼參考齒輪低約90 HV。初步測試結果表明，增材制造的低壓滲碳齒輪具有滿足當前16MnCr5中鋼質量水平的潛力。
為了驗證粉末和3D打印技術的潛力，GKN和保時捷將20MnCr5 3D打印材料用于制造前置橫向變速箱。為了獲得最佳效益，他們使用3D打印技術制造重量減輕潛力最大的部件 – 帶齒圈的差速器殼體。
在傳統的變速器中，齒圈和差速器殼在變速器內發揮不同的功能。齒圈由特殊鋼制成，然后進行硬化和磨削以確保精度。差速器殼體通常是鑄造的，用于將扭矩從環形齒輪傳遞到中心螺栓和錐齒輪。
由于制造工藝和組裝方法的原因，寬齒圈齒由薄且有時偏心的圓盤支撐，圓盤連接到差速器殼。設計師對差速器殼體進行了拓撲優化，并定義了變速器內的最大可用空間，去掉了錐齒輪，側軸，軸承等所需的所有內部輪廓（圖b）。
a）前橫向變速箱的常規差速器， b）差速器的封裝模型。來源：GKN
根據變速箱的規格和要求，所有載荷（軸承和齒輪）都施加到了封裝塊上。CAD優化工具提供了一種能夠承受所有所需載荷的結構。最終的結構是基于增材制造為設計帶來的自由度所設計的，無法使用常規制造技術生產，而增材制造技術則可能產生接近計算結構的產品。
a）結構優化的差速器，b）差速器的內部結構，c）差速器的有限元結果。來源：GKN
內部形狀僅由對結構完整性必不可少的有機梁和結構系統支撐，而這些形狀無法用傳統方法加工。雖然粉末床激光熔化3D打印技術釋放了傳統技術對于設計的限制，但是該技術仍存在一些特有的設計限制，比如說需要考慮如何在3D打印完成后排出未熔融的粉末材料，而這一步需要在開展增材制造零部件設計時就進行規劃。最終的有限元分析顯示出非常均勻的應力水平，并允許壁厚降低。由于受到設備的限制，這在以前是無法實現的。
根據原始負荷要求，計算表明可以達到以下目標：
- 減輕13％的重量（約一公斤）
- 徑向硬度變化減少43％
- 切線方向上的齒剛度變化降低了69％
- 慣性降低8％
根據GKN，粉末床激光熔化3D打印技術與20MnCr5材料一起使用，為輕量化且結構堅固的車輛零部件生產帶來了新的可能性。隨著金屬增材制造繼續發展并成為主流工藝，該應用不僅可以擴展到原型或賽車零部件領域，還可以擴展到批量生產。
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