面向增材制造的制動鉗設計探索

魔猴君  行業資訊   1617天前

日本山一特殊鋼公司（YAMAICHI Special Steel）的增材制造部門對制動鉗進行了重新設計。重新設計的制動鉗所使用的制造工藝為選區激光熔化3D打印技術，增材制造工藝釋放了設計自由度，重新設計的制動鉗能夠在實現減重的基礎上集成熱交換結構，并且增加壓力油路的供油方向。這一設計案例對汽車安全部件設計優化與創新具有一定參考意義。

面向增材制造而設計的制動鉗。來源：YAMAICHI Additive

 有限空間內實現減重與功能集成

YAMAICHI在重新設計中應用了拓撲優化技術，并在制動鉗中集成了面向增材制造的TPMS 結構。此外，YAMAICHI 在設計中添加了優化的壓力損失油路。考慮到制動鉗在工作時可能遇到礫石撞擊之類的環境因素，YAMAICHI 在制動鉗下方增加了防止撞擊損壞的防護面。

拓撲優化的制動鉗。來源：YAMAICHI Additive

TPMS 為三重周期性最小表面（TPMS），對于結構應用而言，該設計顯示出高強度重量比。該設計如果與增材制造技術結合使用，將使設計師能夠創建兼具高強度和散熱特性的多功能結構。

集成熱交換結構的制動鉗。來源：YAMAICHI Additive

而根據YAMAICHI披露的設計方案，他們的確設計了一款集成熱交換結構的制動鉗，熱交換結構的作用是在制動周期內對制動鉗進行冷卻，空氣流能夠穿過冷卻通風口并加快冷卻過程。采用這一設計的制動鉗比傳統設計減輕了40％的重量。

這款制動鉗的另外一個設計創新是壓力油路。通常，壓力油路中只有一個向制動鉗活塞供油的方向，但設計優化后，有五個方向向卡鉗活塞供油，這一設計有助于在活塞表面上產生更好的壓力分布。

拓撲優化和油路優化的設計結果。來源：YAMAICHI Additive

YAMAICHI 團隊在進行制動鉗優化時，所面向的制造工藝是基于粉末床激光熔化的增材制造工藝，材料為AlSi10Mg。

 Review

金屬3D打印技術多被應用于制造復雜的結構件，但用于制造制動鉗這樣的安全件是存在質疑的領域。然而，跑車制造商布加迪與其合作伙伴為Chiron跑車開發的3D打印鈦合金制動鉗，對這些質疑做了有力的回應。

Chiron是目前最強力，最快的超級跑車之一，具有出色的加速性能，從0 加速到375 km/h，減速至80 km/h要求不超過42秒，而出色的性能對輕量化和強勁的發動機提出了極高要求，也對剎車系統的性能提出更高要求。

布加迪與其合作伙伴開發的3D打印鈦合金制動鉗，在減重、性能、強度上實現了很好的結合。3D打印鈦合金制動鉗，長41厘米，寬21厘米，高13.6厘米，重量只有2.9公斤。與之前使用的重量為4.9公斤的鋁制部件相比，布加迪可以通過使用新的鈦合金部件確保更高的強度，并且使制動卡鉗的重量減輕約40％。

布加迪3D打印制動鉗極限測試（圖片來源：百度）

布加迪已對這一3D打印的新型八活塞整體式制動鉗進行了性能測試。3D打印鈦合金制動鉗能夠以375 km / h的速度應對極強度、剛度和溫度要求，制動力為1.35g，制動盤溫度高達1,100°C。3D打印制動鉗的抗拉強度為1250 N / mm2，材料密度超過99.7％。性能測試更是進一步揭示了這一創新的產業化前景。

來源：3D科學谷