为汽车应用减轻部件重量
轻量化的制造工艺和材料考虑
自1975年以来，美国交通部对汽车制造商实施了严格的企业平均燃油经济性(CAFE)标准，要求他们减少燃油消耗，否则将面临严厉的处罚。下一轮能效标准的提高指日可待，到2025年，轿车和轻型卡车的“平均”燃油经济性有望达到每加仑54.5英里。这些标准背后的计算是复杂的，使得解释有些主观，但事实是，在未来几十年里，汽车制造商及其供应商将继续进行一场艰苦的战斗，以设计和生产更轻、更高效的汽车零部件。
所有这些监管和市场驱动的重新设计举措正在为汽车供应商创造一场产品开发活动的完美风暴。即使在商业领域，也存在无数简化设计、减轻重量和使用更少材料的机会，所有这些都有利于消费者和地球。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。
转向镁元素
在开始任何轻量化项目之前，应该记住的一件事是小口吃。除非你要为一辆18轮车重新设计一个省油的变速箱外壳，否则你不可能从任何一个部件上减轻50磅的重量。相反，从构成乘用车的每个部件中削减盎司甚至几盎司是符合CAFE标准的明确途径。例如，乘用车使用的后视镜曾经重得足以敲一颗钉子。如今，大多数后视镜都是由镁框架和塑料外壳制成的，但仍保留了与其臃肿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，又能使用替代材料和巧妙设计来减轻重量的产品。
幸运的是，对于设计师和工程师来说，今天的原型材料和先进的制造技术意味着前所未有的迭代，甚至并行路径设计测试的机会。例如，假设你的任务是为2019年重新推出的四门斯蒂贝克云雀(Studebaker Lark)减轻前灯边框的重量。当你开始探索材料选择时，镁可能是一个很好的开始。
镁的密度为每立方英尺106磅，是所有结构金属中最轻的，强度重量比也是最高的。它在汽车、航空航天、医疗和电子行业都有良好的记录，并被用于从油箱到变速箱的所有领域。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，而且还具有可生物降解性，因此它是自溶螺钉、钉和其他需要比可生物降解聚合物制成的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。与轻量化排名第二的铝相比，每磅铝的价格更高，但镁的重量轻33%，强度相当，这在一定程度上抵消了这一成本。它也很容易加工，但必须注意控制细芯片和金属颗粒，因为这些在富氧环境中可能是易燃的。
对于那些担心镁元素在野外引起火灾的人来说，不要担心，因为镁无处不在。大众甲壳虫几十年来一直采用镁合金发动机，宝马从2005年开始在N52六缸曲轴箱和气缸盖上使用镁。例如，AZ31和AZ91镁合金甚至可以焊接，熔点约为900华氏度(482摄氏度)，除非你设计的是一个轻质的炉内衬，否则镁是许多不同部件的最佳选择。
三巨头也大量使用镁元素。2006年，通用汽车(General Motors)开始在其Z06轻型护卫舰(Z06 Corvette)的发动机支架上使用压铸镁，使旧设计减掉了12磅。福特汽车公司(Ford Motor Company)已开始在2010年款林肯MKT的升降门和2011年款福特探索者(Ford Explorer)的第三排乘客座位上使用镁。同年，克莱斯勒集团(Chrysler Group)为其吉普大切诺基(Jeep Grand Cherokee)引入了镁合金仪表板，帮助该车实现了23英里/加仑的高速公路燃油经济性。总之，国内外汽车制造商都在转向镁，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。请注意，Protolabs不再生产镁部件。
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是很好的选择。广泛选择的玻璃、金属或陶瓷填充聚合物以及液态硅橡胶(LSR)也可用于替代金属部件，从而降低产品成本和重量，同时提高耐用性。
光学LSR取代玻璃，用于车辆照明应用。
一个清晰的汽车镜头建立立体光刻。
聚丙烯(PP)是一种柔韧、耐疲劳的热塑性塑料家族，通常用于汽车内饰、电池壳、船体、假肢和其他需要韧性和重量轻的产品。不同等级的聚丙烯被分为均聚物、冲击共聚物或随机共聚物，后两种共聚物被认为是工程级材料，具有优越的强度重量比，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。它们还可以用微波炉加热，成型部件可以保持半透明或彩色，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)版本。HDPE的用途和机械性能类似于聚丙烯，但更刚性，并提供更大的抗翘曲。由于其成本低，强度相对较高，常用于地下管道、水箱、化学储存容器等。高密度聚乙烯的密度更低，更灵活的LDPE被用于挤压瓶，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——比如Studebaker的手套箱，或者冷风进气口。
腹肌是另一种具有优异抗冲击性和韧性的热塑性塑料。在仪表板装饰、电子外壳、轮毂盖和其他此类汽车应用中，它是一种轻质的金属替代品。注塑成型的ABS也有阻燃或抗静电等级，颜色多样，为数量惊人的轻量化消费、医疗和电子产品打开了大门。镀铬ABS轮毂盖用于大量乘用车，以减轻车辆重量，ABS格栅和ABS挡泥板照明弹也是如此。最后，世界上第一辆3d打印汽车的底盘——在2014年国际制造技术展期间现场生产的strata，由碳纤维增强ABS制成，重量仅为1100磅。
聚碳酸酯(PC)是非常热成形的，经常被塑造成透明的建筑面板，眼镜镜片，工业电脑屏幕，和其他产品，玻璃不适合由于重量或破碎的担忧。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稍微更灵活的“兄弟”亚克力制成的。在增材制造方面，Protolabs提供来自3D Systems的10%玻璃填充聚碳酸酯模拟Accura 60塑料，用于功能原型，性能类似于商业级PC，以及Accura 5530或陶瓷填充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成型。beplay体育下载ios
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，因为尼龙具有自润滑、热稳定和非常耐磨的特性，是链轮、风扇叶片、齿轮、锁扣、歧管和轴承表面的优秀候选材料。它的重量也很轻，只有钢的15%和铝的40%。Protolabs提供几种工程级尼龙的选择性激光烧结(SLS)，可用于加工或注射成型之前的原型功能测试。beplay体育下载ios其中之一是尼龙11，这种材料适用于软管和电线夹、清洗液盖和其他汽车部件的铰链设计。
缩醛它通常被称为商品名Delrin，是机械原型机的常用材料。它坚固而坚硬，不需要尼龙的玻璃纤维增强(尽管有时使用玻璃来增加Delrin的刚度和抗蠕变性能)，并且经常被要求取代一系列工业和消费品中的精密金属零件:电气和燃料系统组件，动力传动部件，如齿轮，衬套和轴承，以及其他高性能部件，可以从Protolabs储存的不同等级的缩醛共聚物或均聚物铣削或注塑成型。
液态硅橡胶LSR是一种令人惊讶的多功能材料，适用于许多成型应用。它一开始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耐热性、耐化学性和耐电阻的部件。线束，面板按钮，火花塞引导-这些只是LSR在现代汽车中可以找到的少数地方。那可是很多塑料啊。有更多的类型可供选择，其中许多可以减轻目前由钢或铝制成的产品的重量。Protolabs的一种新材料是CoolPoly，这是一种独特的聚合物，可模压的硬度等级从Shore A 40(像橡皮擦一样软)到Shore D 80(像保龄球一样硬)。它是作为散热器、照明罩和其他通常由铝制成的导热部件的替代品而发明的，将这些部件的重量减轻了50%或更多。这为电动汽车、消费电子产品、照明系统等领域的轻量化提供了巨大潜力。
权衡制造选择
尽管在材料选择上有灵活性，但了解什么材料钉适合哪个制造孔是一个好主意。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货。Protolabs已经将同样的基本过程自动化到一定程度，电子部件设计可以在今天上传，第二天交付，并且几乎由前面提到的所有材料制成。Protolabs的CNC加工中心将一本厚百科全书大小的金属和塑料实心块磨成原型，带有活模具的车床切割出花瓶大小的零件。两种工艺都保持±0.005英寸的公差。(0.13mm)或更好，取决于零件几何形状。
快速制造镁部件的一种增长方法是通过注射成型(也称为beplay体育下载iosthixomolding)．在这里，镁料片被装入模压机的料斗中。然后加热和搅拌，从而使镁有效载荷达到半固态状态，然后在压力下通过给料螺杆“射出”到模具型腔中。其结果是，功能齐全的镁组件可以以低产量生产，成本仅为“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，因为长期以来，这一直是铸造这种无处不在的金属的传统大批量方法。然而，镁注射成型提供了许多明beplay体育下载ios显的优势，比其更成熟的对手。触化成型本质上是一种“冷”过程，操作温度低于镁的熔点。正因为如此，与压铸件相比，它的收缩和翘曲更少，而且触模件的机械性能一般也更好。冷却过程也不需要复杂的工具，因为几乎不需要冷却通道。由于镁浆是在非常高的压力下进入模具的，在某些情况下是压铸的两倍，因此可以产生非常精细的零件细节。综上所述，触化成型是低容量镁元件的可靠选择。
另一个成熟的原型制作过程是有限元(SLA)3D打印技术的鼻祖。Protolabs使用SLA在三个主要组中打印九种等级的聚合物部件:ABS，聚碳酸酯和聚丙烯。需要指出的是，这些材料模仿塑料，不适合功能性产品使用。然而，SLA确实生产了高度精确的原型，并且是轻量化概念部件初始“触感”的合乎逻辑的第一步。为了测试压铸产品的形状和适合性，Protolabs提供了SLArmor，这是一种镀镍的陶瓷填充添加剂材料，非常轻，但在某些情况下仍然足够强，可以夹击金属，是许多轻量化应用的理想解决方案。
下一个3D打印列表是选择性激光烧结在Protolabs公司，这种材料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，具有更高的结构完整性。与Protolabs的所有添加剂工艺一样，SLS使用激光绘制每个零件层。部分特性没有SLA生成的特性准确，但是对于功能测试来说仍然很好。在Protolabs提供的所有塑料材料中，玻璃填充尼龙是汽车制造商最受欢迎的材料之一，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。正因为如此，SLA和SLS都非常适合于创建轻量级部件的原型。
另一种日益使用的增材制造工艺是DMLS，或直接金属激光烧结．DMLS熔化层金属粉末，薄至0.0008英寸。(20微米)在Protolabs，以创建复杂的，98%密度的零件形状，通常是不可能制造的。精度高，公差为+/- 0.003英寸。加上额外的0.001英寸/英寸。这通常在设计良好的部件上实现。
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，但也用于316L和17-4 PH的不锈钢、钴铬合金和铬镍合金，这些超强金属以其极端耐热性和耐久性而不是减轻重量而闻名。你可能想知道，使用这些金属的添加剂工艺是如何进入轻质白皮书的。但问题是:DMLS可以制造金属部件，到目前为止，这只是设计师的幻想。比巧克力彩蛋更空心的部件、埃歇尔式曲线和球体、超薄壁和蜘蛛网状晶格、将多部分组件合并成单个烧结组件——这些是DMLS(以及SL和SLS)可以提供的一些轻量可能性。
DMLS比其他添加剂工艺更慢，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。但对于复杂的组件，不可能的形状，或少量高温合金可以发挥很大作用的部件，DMLS可能只是减轻部件重量和降低制造成本的门票。最后，DMLS并不局限于原型量——给定一个小而复杂的工件，通过传统方法制造太难或太贵，DMLS通常是数千个小批量生产的可行替代方案。
最后考虑
考虑我们的Studebaker重新设计项目中的水泵。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NanoTool材料可以用于背板。在每种情况下，您都可以使用SL 3D打印各种设计迭代以进行形式和适应性测试，然后有十几个原型机用于功能测试，然后轻松地移动到数千个注塑部件。当你这样做的时候，别忘了把铸铁泵壳换成镁制的。
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材或铁。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和壁厚。beplay体育下载ios必须考虑到引脚，也应该考虑到有底边的区域，紧凑的内部半径，以及许多其他细节，这些细节可能会使您的轻量化部件成败。
在开始轻量化设计之前需要考虑的其他因素:
- 支撑肋和蜂窝状截面在保持结构完整性的同时减轻了部件重量，特别是注塑成型的热塑性部件。
- 镁零件比铝零件轻33%，比钢零件轻75%。
- 镁注射成型是实现大批beplay体育下载ios量压铸镁制品的快速、简便的敲门砖。
- 尽早对预计的零件数量进行全面分析，可以避免在数量增加时进行昂贵的重新设计。
- 尽管不锈钢、钴铬和铬镍合金比铝和镁重，但DMLS技术可以使这些“重金属”成为较轻材料的坚固、有效的替代品。
- 不要被玻璃填充塑料的高价格吓跑，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(无论您是否通过它们订购零件)。
- 使用CoolPoly塑料散热器和热管理应用。它们的重量只有铝的一半，散热能力与铝相当。
轻量化有很多很好的理由。设计更轻、更坚固、更划算的产品对每个人都有好处，并为生产这些产品的公司提供竞争优势。提高汽车和卡车的燃油效率将继续是这些行业的圣杯，这一目标依赖于有限的化石燃料、不断增加的温室气体和不断增加的政府监管。
好消息是，考虑到protolab提供的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部件重量。beplay体育是黑网吗如果您对材料、制造工艺或设计有任何疑问，请联系Protolabs应用工程师(电子邮件保护)或877-479-3680．