賽車運動是汽車工業發展的風向標。爲了贏得比賽，汽車製造商會將最好的科技、材料用於參賽車輛的製造。賽車製造中所應用的製造技術總是高於同期的民用車輛，在未來部分賽車製造中所用的科技將在民用車輛製造中應用。 長期致力於賽車零部件製造與創新的Spyros Panopoulos 團隊，通過其專利技術與先進材料，研發了用於極限賽車運動的渦輪增壓器、葉輪、活塞等動力總成零部件。經過多年發展，在技術創新的道路上， Panopoulos 團隊融入了3D打印技術與創成式設計，並通過這些技術爲賽車、超級跑車減重與提升動力性能提供技術上的加持。

值得期待的是，在Panopoulos 團隊開展的超級跑車開發項目中，應用了多種3D打印零部件，包括碳纖維3D打印連桿、陶瓷3D打印活塞等極具創新性的零部件，這款跑車將在2021年日內瓦車展上亮相。

本期，3D科學谷將與谷友一起搶先看來自賽車製造團隊的3D打印前沿應用，並回顧民用汽車製造領域取得的3D打印應用進展。

追求極致的輕量化

賽車與飛機零部件製造團隊Spyros Panopoulos 開展了一個超級跑車開發項目“Chaos”，該項目包括兩種不同配置的超級跑車。兩種版本的相同之處爲，均配備4升V10鋁合金發動機，發動機具有20個噴油器，40個氣門，鈦合金曲軸，鈦/鉻鎳鐵合金氣門，以及由碳纖維和鈦合金製造的大型雙渦輪增壓器，該渦輪增壓器的渦輪由陶瓷複合材料製造。

其中一種配置的跑車安裝了鈦合金3D打印活塞和連桿，可加速至11,000 rpm，並具有2,000馬力的動力。

3D打印碳纖維連桿與陶瓷活塞。來源：Spyros Panopoulos

另一種配置的跑車，發動機轉速提高至12,000 rpm。這款跑車安裝了碳纖維連桿和3D打印的陶瓷複合材料活塞。陶瓷複合材料以高強度、重量輕、硬度和幾乎完全的抗熱膨脹性著稱，而能夠作爲航天飛機制造中使用的材料。該跑車的最高功率不低於3,000馬力。

根據3D科學谷的市場觀察，Spyros Panopoulos 團隊早在1997年就致力於製造極限賽車中的連桿、渦輪增壓器、氣門、發動機缸體，以及飛輪和完整發動機。使用新材料、先進製造技術以及設計方式，是他們在賽車動力總成零部件製造中保持創新活力和突破車輛極限動力的推動力。Panopoulos 團隊獲得了衆多創新、專利技術和成就。

例如在新材料應用方面，Panopoulos 團隊曾在2015年，將Tennalum合金材料用於賽車製造，這種合金具有高達700 MPa的屈服強度（比7075合金高出30％以上），良好的延展性。以及與7075相似的耐腐蝕性以及其他對高性能組件/設備設計人員有利的功能。在強度/重量比方面，Tennalum比7075高33％。

Gen2專利技術製造的葉輪。來源：Spyros Panopoulos

Panopoulos 團隊擁有渦輪增壓葉輪設計與製造的專利技術-Gen2，採用該技術製造的葉輪具有10個葉片，材料爲“超級合金970 mpa”，該材料比鈦Ti6AL4v重量輕43％，但強度高35％。這一渦輪增壓器壓氣機葉輪，在空氣動力學方面得到了革命性的改進，其初級葉片的徑向向內的部分向上掃入壓氣機的上部區域。得益於優化的幾何形狀，其性能提高了35-80％。2016年，該團隊將碳纖維壓縮機蓋用於渦輪增壓器中，並採用Gen2專利技術製造碳纖維和勞倫纖維複合材料的渦輪增壓器葉輪，這些複合材料比鋁輕8-10倍。

近年來，Panopoulos 展開了對下一代材料、增材製造以及創成式設計方式的研究。2019年，他們在這一領域取得了顯著進展。

3D打印碳纖維連桿。來源：Spyros Panopoulos

上圖是3D打印碳纖維連桿，也是“Chaos”項目其中一款跑車中安裝的連桿。下圖是Panopoulos 開發設計的賽車3D打印活塞，材料包括H13不鏽鋼和Ti6AL4v鈦合金 。

3D打印活塞設計。來源：Spyros Panopoulos

3D打印鈦合金連桿、活塞。來源：Spyros Panopoulos

Panopoulos 團隊開發了面向增材製造汽車零部件開發的創成式設計軟件”anadiaplasi”，並通過anadiaplasi設計了一系列3D打印零部件，包括3D打印陶瓷、鈦合金材料的連桿、活塞，以及安全性部件制動鉗。

3D打印製動鉗。來源：Spyros Panopoulos

3D打印與創成式設計所實現的輕量化，是提高超級跑車動力的重要砝碼之一。根據Panopoulos，其團隊對首款量產跑車的減重目標是總車重小於1,150千克，每減少一公斤重量可產生超過2馬力的動力，他們已爲時速超過500 公里/小時的空氣動力學性能做好準備，在加速度方面，他們的技術已爲時間2秒內加速至100公里/小時，7秒內加速至400公里/小時做好準備。

以上仍不是“Chaos”超級跑車的全貌，預計在20201年的日內瓦車展上，將可以看到它的全部科技。除了以上這些通過anadiaplasi創成式軟件設計的3D打印零部件，還將看到錯綜複雜的LED剎車燈陣列、3D打印鈦合金排氣管，碳纖維車身，以及由一種熱固性材料製造的一體式底盤，這是一種可用於製造防彈衣的材料，其強度是芳綸的1.6倍。

3D科學谷Review

雖然，汽車製造領域對於3D打印技術的應用存在着質疑的聲音，制約3D打印走向汽車零部件批量生產的挑戰也尚未完全被克服。但是有一批勇於嘗試新技術的企業，在對未來存在不確定性的請況下，不斷的優化增材製造技術解決方案，他們在增材製造設計、材料性能及成本、打印質量與效率等方面，推動3D打印技術在汽車零部件製造應用中快速發展。3D科學谷歸納了以下具有代表性的5個方面：