3D-печать автомобильных коллекторов

Коротко о деталях

Выпускной коллектор

Соединяет головку (головки) цилиндров двигателя с выхлопной системой; собирает горячие газы из камер сгорания и направляет их через одно или несколько выходных отверстий. Конструкция и материал выпускного коллектора могут существенно влиять на мощность, теплоотвод и долговечность.

Впускной коллектор

Деталь двигателя, распределяющая воздух или топливно-воздушную смесь по цилиндрам. Мощность, крутящий момент и расход топлива напрямую зависят от длины, диаметра и формы каналов коллектора.

Возможности 3D-печати

Учет реальных требований проекта

Долгое время выпускные и впускные коллекторы проектировались с учетом возможностей литьевых форм и отливок, а не реальных требований к воздушному потоку. 3D-печать устраняет эту проблему.

Преодоление ограничений геометрии

Аддитивные технологии позволяют получить коллектор как единую монолитную деталь, что сокращает число сварных швов и связанных с ними точек отказа. Кроме того, на 3D-принтере можно печатать каналы сложной формы, например, с плавными изгибами.

Снижение веса детали

Это становится возможным за счет проектирования решетчатых конструкций и внутренних каналов, а также использования облегченных материалов. Без потери прочности.

Высокая прочность и термостойкость

Усовершенствованные сплавы, например, инконель повышают усталостную прочность деталей и выдерживают экстремальные температуры выхлопных газов, что критично для коллекторов.

Скорость

Быстрое прототипирование и быстрая печать конечных изделий: достаточно внести изменения в цифровую модель детали.

Экономия на оснастке

Стандартная пресс-форма может стоить сотни тысяч рублей, а ее изготовление займет несколько недель. На 3D-принтере можно протестировать геометрию и воздушный поток всего за три дня, используя, например, порошок нейлона, а затем перейти к финальной печати металлом.

Где применяются 3D-печатные выпускные коллекторы?

• Гоночные двигатели, требующие нестандартной геометрии.

• Детали в единственном экземпляре для концептуальных или экспериментальных автомобилей.

• Запчасти для вторичного рынка.

• Испытательные стенды для разработки двигателей.

• Замена снятых с производства или редких оригинальных запчастей.

Печать из металла

Материалы

Inconel 718

Никелевый суперсплав, сохраняющий коррозионную стойкость и высокую прочность даже при температурах выше 800 °С.

Inconel 625

Сохраняет прочность и стойкость к окислению при температуре выше 800 °C. Выдерживает кратковременное воздействие температур до 980–1000 °C с минимальной потерей производительности.

Нержавеющие сталь 316L

Материал очень устойчив к коррозии, ползучести, обладает высокой прочностью. Может эксплуатироваться в химически агрессивных средах.

AlSi10Mg

Алюминиевый сплав. Подходит для печати легких компонентов средней прочности с хорошей теплопроводностью.

Ti6Al4V

Наиболее распространенный титановый сплав, известный оптимальным сочетанием прочности, легкости и коррозионной стойкости. Почти в два раза легче стали.

Технологии

SLM

SLM (Selective Laser Melting, селективное лазерное плавление). Изделие послойно выращивается из металлического порошка, наплавляемого одним или несколькими лазерами.

DED

DED (Directed Energy Deposition, направленное энергетическое осаждение): металлический порошок или проволока сплавляется в момент подачи в заданную точку, как правило при помощи лазера.

Серийное производство

Если литье подходит для производства крупных партий изделий с низкой сложностью, то 3D-печать металлом выгодна для малых и средний партий, сложных деталей. Для уникальных и единичных проектов также выгоднее и удобнее аддитивное производство.

Печать из пластиков

ABS

Один из самых популярных пластиков для 3D-печати. Детали из ABS работают в реальных условиях, выдерживают нагрузки, перепады температур и химическое воздействие. Используется в основном для печати прототипов автомобильных коллекторов.

PA12-CF

PA12 (нейлон), армированный углеволокном. По сравнению с обычным нейлоном обладает низкой гигроскопичностью, что способствует стабильности размеров. Жесткий, износостойкий. Используется для печати впускных коллекторов.

PAHT-CF

Высокотемпературный PA, усиленный углеволокном. Температура плавления около 225 °C. Подходит для нагруженных и эксплуатируемых в сложных условиях деталей. Устойчив к химическим реагентам. Используется для печати впускных коллекторов.

ULTEM

Отличается очень высокой механической прочностью. Устойчив к воздействию многих растворителей, масел и других химикатов. Пригоден для всех применений, где требуется устойчивость к высоким температурам. Применяется для печати впускных и выпускных коллекторов.

Технология

FDM

FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления): построение изделия из расплавленного пластика, который выдавливает на рабочую платформу 3D-принтера через горячее сопло.

Что печатают?

• Прототипы и макеты впускных и выпускных коллекторов.
• Функциональные впускные коллекторы.
• Мастер-модели для литья.
• Сборочные, позиционирующие и сварочные кондукторы для металлических выпускных коллекторов.

Долговечность напечатанных пластиком впускных коллекторов

Печать из полимерных порошков

Материалы

PA12/Nylon12

Обладает отличным сочетанием механической прочности, ударной вязкости и устойчивости к химическому воздействию, влаге. Изделия из PA12 отличаются стабильностью размеров.

PA12 GF/Nylon12 GF

Стеклонаполненный композит с повышенной жесткостью и термостойкостью для печати деталей, работающих в сложных условиях.

WIndform SP

Композитный порошок на основе полиамида, армированный углеродным волокном. Отличается повышенной устойчивостью к ударам, вибрациям и деформациям, а также обладает высокой прочностью на разрыв и удлинением при разрыве.

Технология

SLS

SLS (Selective Laser Sintering, селективное лазерное спекание): технология послойного спекания порошковых материалов с помощью одного или нескольких лазеров.

Задачи

• быстрое прототипирование, в т.ч. для проверки сборки;
• аэродинамические и гидравлические испытания;
• печать мастер-моделей для литья в силикон.
• печать функциональных впускных коллекторов.

Выжигаемые модели для литья

Модели печатают из специальной выжигаемой смолы. Технология SLA подходит для сложной геометрии, точных поверхностей и прототипов или небольших серий. Напечатанная модель вставляется в керамическую форму, после чего выжигается, и на ее место заливается расплавленный металл.

Например, таким способом была изготовлена на 90% полая выжигаемая модель корпуса дроссельной заслонки для двигателя внутреннего сгорания.

3D-печать выжигаемых моделей: преимущества, материалы, технологии >>

Примеры из практики

Печать коллектора для утракара

Греческий производитель Spyros Panopoulos Automotive работает над созданием первого в мире ультракара Chaos, способного разгоняться от 0 до 100 км/ч всего за 1,55 секунды. Для достижения цели необходимо было облегчить автомобиль.

Задача, в частности, заключалась в улучшении характеристик как основных коллекторов, так и выпускного патрубка. Поскольку деталь была большой — 380 мм x 240 мм — специалисты решили изготовить ее по технологии DED (направленное осаждение энергии) из Inconel 718.

Система из пяти каналов и одного выхода была напечатана цельной деталью с толщиной стенок 1 мм, постоянным поперечным сечением, переменной геометрией вдоль трубки и крутыми изгибами. Такой результат невозможно получить традиционным методом.

Конструктивные изменения позволили двигателю гораздо эффективнее сливать и заполнять выхлопные газы, увеличивая крутящий момент, особенно на высоких оборотах.

Время печати составило 15 часов.

Инконель вместо стали

Компания Prototipo (Новая Зеландия) имеет опыт в проектировании, разработке и создании инновационных двигателей, силовых агрегатов и комплексных решений для транспортных средств. Для производства компонентов двигателей Prototipo использует, в частности, 3D-печать металлом.

Как сообщает компания, исследования и разработки показали, что стандартные выпускные коллекторы из нержавеющей стали, изготовленные методом 3D-печати, имеют ограниченный срок службы на мощных турбированных двигателях. В результате в гоночном автомобиле Toyota 86 был использован инконель.

Еще один проект Prototipo (на фото ниже): 2000-кубовый двигатель V8 с максимальными оборотами 14 500 об/мин, развивающий мощность 430 л.с. при небольшом весе.

В этом двигателе также дебютирует новая система впуска с изменяемой длиной, которая включает в себя легкий алюминиевый каркас, напечатанный на 3D-принтере, и электронное управление.

Источник информации и фото: Instagram (соцсеть запрещена в РФ; принадлежит корпорации Meta, которая признана в РФ экстремистской).

Прототипы коллекторов