『3D打印』一种适用于电驱动动力总成零部件3D打印合金钢材料
当今的汽车制造商面临着提高电动汽车效率的需求 。 制造商已经从各个角度解决这个问题：减轻重量、创建更高效的动力传动系统、降低噪音 。 不过这个过程是不断迭代且永无止境的 。
根据3D科学谷的市场研究 ， GKN根据粉末床激光熔化（L-PBF) 增材制造技术的特点 ， 开发了3D打印合金钢材料20MnCr5 。 这款材料能够承受高磨损和负载 ， 并结合3D打印所实现的功能集成进一步减轻重量 ， 应用方向为更高设计自由度、更高效、更集成的动力系统零部件制造 。
早在2018年, 吉凯恩与保时捷就利用该材料, 开发增材制造的电子驱动动力总成零部件 。 近日 ， 吉凯恩揭示了20MnCr5 材料的力学性能 ， 以及双方在前横向变速器零件-差速器壳体增材制造设计迭代中的更多细节 。
轻量化 – 坚固、耐磨
根据GKN ， 在粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技术领域 ， 有两种重要的商用钢材料：不锈钢和工具钢 。 这些材料以其高耐腐蚀性和高强度 ， 满足工具制造和医疗器械制造的要求 ， 但是市场上成本适中 ， 具有由性能驱动的机械特性 ， 并且有高耐磨性和疲劳强度的钢基3D打印材料仍非常有限 。
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公称密度和名义成分下的典型性能 。 来源：GKN
GKN开发了可满足汽车行业要求的20MnCr5合金钢材料 ， 20MnCr5合金钢是一种中等强度的钢 ， 可以进行表面硬化处理 ， 通常被认为是表面硬化齿轮的基准材料之一 。 这种合金钢材料用于粉末床激光熔化3D打印工艺 ， 具有适中的材料成本 ， 强度高且具韧性 ， 具有高疲劳强度 ， 可以通过表面硬化实现优异的耐磨性 。
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用于L-PBF3D打印工艺的20MnCr5粉末SEM图像 。 来源：GKN
该材料的应用方向包括制造应力高且耐磨的齿轮和关节零件、主轴、齿轮与其他机械零件 。
20MnCr5 材料对于汽车行业来说打开了增材制造的新空间 ， 汽车行业首先可以通过这种材料进行原型制造 ， 然后确认是否可扩展到大规模生产应用 。 通过3D打印制造的零件允许工程师在几周内完成设计验证 ， 并进入到下一轮的设计迭代周期中 。
在进行20MnCr5材料生产的过程中 ， 内部应力可能导致零件变形 ， 但通过特定的热处理 ， 可以减少内部应力 。
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增材制造测试齿轮的热处理和初始齿根疲劳测试 。 来源：GKN
如硬化曲线所示 ， 增材制造齿轮达到了齿面所需的淬火深度 ， 但齿面截面却显示出较低的值 。 上图显示 ， 增材制造齿轮的核心硬度比16MnCr5锻钢参考齿轮低约90 HV 。 初步测试结果表明 ， 增材制造的低压渗碳齿轮具有满足当前16MnCr5中钢质量水平的潜力 。
为了验证粉末和3D打印技术的潜力 ， GKN和保时捷将20MnCr5 3D打印材料用于制造前置横向变速箱 。 为了获得最佳效益 ， 他们使用3D打印技术制造重量减轻潜力最大的部件 – 带齿圈的差速器壳体 。
在传统的变速器中 ， 齿圈和差速器壳在变速器内发挥不同的功能 。 齿圈由特殊钢制成 ， 然后进行硬化和磨削以确保精度 。 差速器壳体通常是铸造的 ， 用于将扭矩从环形齿轮传递到中心螺栓和锥齿轮 。
由于制造工艺和组装方法的原因 ， 宽齿圈齿由薄且有时偏心的圆盘支撑 ， 圆盘连接到差速器壳 。 设计师对差速器壳体进行了拓扑优化 ， 并定义了变速器内的最大可用空间 ， 去掉了锥齿轮 ， 侧轴 ， 轴承等所需的所有内部轮廓（图b） 。
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