减轻汽车零部件重量
轻量化的制造工艺和材料考虑
不断增加的烟雾和污染、波动的燃料价格、对水力压裂法和海上钻井的环境担忧——有很多理由提高乘用车和商用车的燃油效率。最好的方法之一就是减轻车辆重量。更轻的汽车意味着消费者使用更少的燃料，从而产生更清洁的空气，减少对不可替代的化石燃料的依赖。简而言之，汽车轻量化是有道理的。
向轻量化产品和组件的转变通常始于原型设计，其中材料和制造工艺的选择是至关重要的。
向镁的转变
在开始任何轻量级项目之前，应该记住的一件事是，以块的大小来看待它。除非你正在为一辆18轮车设计一种省油的变速箱外壳，否则将很难显著减轻单个部件的重量。相反，在国产汽车的每个部件上减轻一点重量才是减轻汽车重量的合理解决方案。例如，国产汽车使用的后视镜曾经重到足以砸钉子。如今，大多数后视镜都是由镁框架和塑料外壳制成的，但仍然保留了与它们肥胖的前辈相同的强度和功能。诀窍在于开发出既能满足成本和责任要求的产品，又能使用替代材料和巧妙的设计来减轻重量。
幸运的是，对于设计师和工程师来说，今天的一系列原型材料和先进的制造技术提供了创新
有机会进行迭代，甚至是并行路径设计测试。例如，在考虑设计轻型前照灯挡板的合适材料时，镁可能是一个很好的开始。
镁的密度为1740kg / m3，是所有结构金属中最轻的，并且具有最高的强度重量比。它在汽车、航空航天、医疗和电子行业有着良好的业绩记录，
从燃料箱到变速箱，它的用途非常广泛。由于镁是人体中最丰富的矿物质之一，它不仅具有生物相容性，而且还具有生物可降解性，因此它是自溶螺钉、别针和其他需要比生物可降解聚合物更大强度的植入物的合理选择。镁通常被磨成各种原型零件。与轻量化产品中排名第二的铝相比，每磅铝的成本更高，但镁的重量轻了33%，强度也相当，这在一定程度上抵消了成本上的损失。它也很容易加工，尽管必须小心控制细屑和金属颗粒，因为它们在富氧环境中是易燃的。
对于那些担心火灾中含有镁成分的人来说，不要担心——镁无处不在。大众甲壳虫(Volkswagen Beetle)几十年来一直采用镁合金发动机缸体，宝马(BMW)从2005年开始在其N52六缸曲轴箱和气缸盖上使用镁合金。Protolabs使用的AZ31和AZ91级镁合金甚至是可焊接的，熔点约为900华氏度(482摄氏度)。除非你设计的是轻质炉衬，否则镁是许多不同部件的绝佳选择。在世界范围内，汽车公司正转向使用镁，因为它强度大、重量轻，而且因为它可以从海水中提取，所以供应充足。
塑料的替代品
镁和铝是轻质钢的极好替代品，但热塑性和热固性材料也具有强大的可能性。广泛选择玻璃，金属或陶瓷填充聚合物以及液体硅橡胶(LSR)也可用于取代金属部件，从而降低产品成本和重量，同时提高耐用性。
•聚丙烯(PP)是一种灵活，抗疲劳的热塑性塑料系列，通常用于汽车内饰，电池盒，船体，假肢和其他需要韧性和重量轻的产品。不同等级的聚丙烯分为均聚物、冲击共聚物和无规共聚物，后两种被认为是工程级材料，具有优异的强度重量比，即使在低温下也具有良好的抗冲击性。所有的聚丙烯都是耐热的，熔点在300华氏度(149摄氏度)左右。它们也可以用微波炉加热，成型的部分可以保持半透明或有色，这使得PP成为食品储存容器和其他类型的轻质包装的最爱。
•聚乙烯提供高密度(HDPE)和低密度(LDPE)两种版本。HDPE的用途和机械性能与聚丙烯相似，但它更坚硬，具有更大的抗翘曲性。由于其成本低，强度相对较高，经常用于地下管道，水箱和化学品储存容器。高密度聚乙烯的低密度，更灵活的对手LDPE看到用于挤压瓶，保鲜膜和游乐场滑梯。这两种材料都适用于需要韧性和低重量的地方-例如手套箱或冷空气
的摄入量。
•ABS是另一种热塑性塑料，具有优异的抗冲击性和韧性。它是一个轻量级的替代金属在仪表板装饰，电子外壳，轮毂盖盖和其他这样的汽车应用。注塑成型ABS也有阻燃级或抗静电级，颜色丰富多彩，为数量惊人的轻质消费、医疗和电子产品打开了大门。国内大量车辆采用镀铬ABS轮毂盖，ABS格栅和ABS挡泥板耀斑也采用镀铬ABS轮毂盖，以减轻车辆重量。最后，在2014年国际制造技术展上现场生产的世界上第一辆3d打印汽车的底盘是由碳纤维增强ABS制成的，重量仅为499公斤．
•聚碳酸酯(PC)是非常热成型的，经常被塑造成透明的建筑面板，玻璃镜片，工业电脑屏幕，和其他产品的玻璃不适合由于重量或破碎的问题。它的抗冲击性是普通玻璃的250倍，但重量只有普通玻璃的一半，这就是为什么“防弹玻璃”和飞机窗户实际上是由聚碳酸酯或其柔韧性稍强的表亲丙烯酸制成的。在房屋的增材制造方面，Protolabs提供10%的玻璃填充聚碳酸酯-模拟3D系统的Accura 60塑料，用于具有类似商业级PC的功能原型，以及Accura 5530或陶瓷填充的DSM Somos NanoTool，用于高温航空航天和汽车应用。类似等级的PC可用于机加工或注塑。
•尼龙也经常填充矿物或玻璃纤维，以提高刚度重量比和改善机械性能。这使得它成为Protolabs最坚固的塑料之一，而且由于尼龙具有自润滑、热稳定和非常耐磨的特性，它是链轮、风扇叶片、齿轮、锁紧器、歧管和轴承表面的极佳候选材料。它也很轻，钢的重量只有15%，铝的重量只有40%。Protolabs提供几种工程级尼龙的选择性激光烧结(SLS)，可用于加工或注塑成型之前的原型功能测试。其中一种是尼龙11，这种材料非常适合用于软管和线夹、垫圈液盖和其他汽车部件的活铰链设计。
缩醛,通常以其商品名Delrin命名，是机械原型的常规材料。它坚固而坚硬，而不需要尼龙的玻璃纤维增强(尽管玻璃有时用于增加Delrin的刚度和抗蠕变性)，并定期要求在一系列工业和消费产品中取代精密金属部件:电气和燃料系统部件，动力传动部件，如齿轮，轴套和轴承，以及其他高性能部件可以用Protolabs库存的不同等级的缩醛共聚物或均聚物进行铣削或注塑。
•液态硅橡胶;或LSR，是一种令人惊讶但多功能的材料，适用于许多成型应用。它最初是两部分热固性化合物，在低温下混合，然后注入加热的模具。固化后，LSR变得坚固而灵活，适用于垫片，透镜，连接器和其他需要优异的热，化学和电阻的部件。线束、面板按钮、火花塞靴——这些只是LSR在现代汽车中的少数应用。那是很多塑料。
权衡制造业的选择
尽管材料选择的灵活性，这是一个好主意，了解什么材料挂钩适合哪个制造孔。机加工原型曾经在手摇铣床和发动机车床上生产。它们主要由钢、黄铜或铝制成，需要数周时间才能交付。Protolabs已经自动化了相同的基本过程，以至于电子零件设计可以在一天内上传，第二天就可以交付，并且几乎可以用前面提到的所有材料制作。Protolabs的CNC加工中心用厚百科全书大小的固体金属和塑料块加工原型，用带电工具的车床切割花瓶大小的零件。这两种工艺的公差都在+/- 0.1mm或更好，具体取决于零件的几何形状。
介绍了一种快速生产镁零件的方法注塑(也称为触模成型，这是可用的
来自Protolabs美国工厂)。在这里，镁原料的碎片被装入模压机的料斗。然后是加热和搅拌
应用后，使镁有效载荷达到半固态，然后通过给料螺杆在压力下“射出”到模具腔中。其结果是，功能齐全的镁组件可以小批量生产，成本只是“生产工具”部件的一小部分。
许多制造工程师将镁与压铸联系在一起，因为这是长期以来形成这种普遍存在的金属的传统，大批量的方法。镁注射成型提供了许多明显的优势比其更成熟的对应物。触模成型本质上是一个“冷”过程，在镁的熔点以下操作。因此，与压铸件相比，触模件的收缩和翘曲更少，并且触模件的机械性能通常也更好。冷却过程也需要较少复杂的工具，因为几乎不需要冷却通道。由于镁浆是在非常高的压力下注入模具的，在某些情况下是压铸的两倍，因此产生了非常精细的零件细节。考虑到所有因素，触模成型是许多原型或小批量镁组件的明确选择。
另一个成熟的原型制作过程是有限元(SL)是所有增材制造技术的鼻祖。Protolabs
使用SL打印部件从九个等级的聚合物跨越三个主要组:ABS，聚碳酸酯和聚丙烯。重要的是要指出，这些材料模拟塑料和不额定的功能性产品使用。然而，SL确实可以产生高度精确的原型，并且是轻量级概念部件初始“触摸和感觉”的合乎逻辑的第一步。为了测试压铸产品的形状和配合，Protolabs提供了SLArmor，这是一种镀镍、陶瓷填充的添加剂材料，非常轻，但在某些情况下仍然足够坚固，可以挤压金属，是许多轻量化应用的理想解决方案。
3D打印列表上的下一个是选择性激光烧结在Protolabs公司，该项目仅限于四种工程级尼龙材料，其中两种材料经过强化，适用于高温应用，结构完整性更高。与Protolabs的所有增材工艺一样，SLS采用激光绘制每个零件层。部分特性的准确性略低于SL生成的特性，但对于功能测试来说仍然很好。在Protolabs提供的所有塑料材料中，玻璃填充尼龙是最受汽车制造商欢迎的材料之一，主要是因为它的低成本和韧性，尽管玻璃填充聚碳酸酯紧随其后。因此，SL和SLS都非常适合轻量级部件的原型设计。
另一种越来越多使用的增材制造工艺是DMLS直接金属激光烧结．DMLS在Protolabs上熔化薄至0.02毫米(20微米)的金属粉末层，以制造出复杂的、密度高达98%的零件形状，否则通常无法制造。它非常精确，公差为+/- 0.1mm至+/- 0.2mm加上额外的+0.005mm。这通常是在设计良好的部件上实现的。
在Protolabs, DMLS与铝和钛一起工作，因此是制造轻质部件的明显竞争者，但也是
与316L和17-4PH不锈钢，钴铬合金和铬镍铁合金一起使用，这些超强金属以其极端的耐热性和耐用性而不是减轻重量而闻名。你可能想知道，使用这些金属的增材工艺是如何制成轻质白纸的。但事情是这样的:DMLS可以制造金属部件，到目前为止，这只不过是设计师的幻想。比巧克力复活节彩蛋更中空的部件，埃舍尔式曲线和球体，超薄的壁和蜘蛛网般的晶格，将多个部件组装成一个烧结部件——这些都是DMLS(以及SL和SLS)可以提供的轻量化可能性。
DMLS比其他增材工艺慢，而且更昂贵——如果你的零件设计可以有效地加工或成型，DMLS可能不是正确的制造方法。但是对于复杂的组件，不可能的形状，或者少量的高温合金需要很长时间才能使用的零件，DMLS可能只是减轻零件重量和降低制造成本的门票。最后，DMLS并不局限于原型数量，因为小而复杂的工件太困难了
或者通过传统方法制造成本昂贵，DMLS通常是数千个小批量生产的可行替代方案。
最后考虑
考虑设计一台水泵。玻璃填充的聚碳酸酯可以制成坚固、轻便的叶轮，黄铜排水塞可以很容易地用ABS或聚丙烯塑料代替，镀镍、陶瓷填充的纳米工具材料可以用作背板。在每种情况下，您都可以使用SL来3D打印各种设计迭代，以进行形式和配合测试，然后进行十几个原型加工以进行功能测试，然后轻松地移动到数千个注塑零件。此外，铸铁泵壳可以用镁制成的泵壳代替。对所有不同的可能性进行分类是轻量化的最大挑战之一。这是因为，在汽车行业，产品设计的改进并不是随便找一种最轻的材料，取代以前使用的传统钢铁。最终将通过注塑批量生产的塑料部件必须预先设计正确的吃水角度和壁厚。必须考虑顶销，也应该考虑顶销
有切口的地方，紧凑的内部半径，以及许多其他细节，可以使你的轻质部分成功或失败。
在进行轻量化设计之前需要考虑的其他因素:
•支撑肋和蜂窝状部分减少部分重量，同时保持结构的完整性，特别是与注塑成型热塑性部件。
•镁部件比铝轻33%，比钢轻75%。
•镁注射成型是大批量压铸镁产品的快速简便的垫脚石。
•在早期对预计零件量进行全面分析，可以避免在数量增加时进行昂贵的重新设计。
•尽管不锈钢、钴铬合金和铬镍铁合金比铝和镁重，但DMLS技术可以使这些“重金属”成为更轻材料的坚固、高效的替代品。
•不要被玻璃填充塑料的高成本吓跑，因为它们更强的强度可以显著减轻重量。
•在设计成型零件时，始终使用Protolabs提供的在线可塑性分析工具(无论您是否通过他们订购零件)。
轻量化有很多好的理由。设计出更轻、更坚固、更具成本效益的制成品对每个人都有好处，并为生产这些产品的公司提供了竞争优势。提高汽车和卡车的燃油效率将继续是这些行业的圣杯，这一目标建立在一个令人生畏的三脚凳上:有限的化石燃料，不断增加的温室气体，以及越来越多的政府法规。
好消息是，考虑到protolabs提供的一系列原型设计和小批量生产服务，以及其内部专业知识，您有许多不同的资源来帮助减轻零件重量。世界杯2022官网投注华体会app官网如果您对材料、制造工艺或设计有任何疑问，请联系Protolabs的客户服务工程师(电子邮件保护)或致电+44(0)1952 683047或亲临protolabs.co.uk．
-