一文看懂3D打印在刹车制动领域的应用

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谈到3D打印在制动领域的应用,我们很容易联想到的两个典型应用,一个是制动器的3D打印,一个是刹车片的3D打印。

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block 3D打印生产批量化的制动器

制动器方面,2018年布加迪发布了其通过带有四激光器的选择性激光熔融3D打印技术所制造的世界首个3D打印的新型八活塞整体式制动钳。而近日,布加迪对3D打印的新型八活塞整体式制动钳进行了令人叹为观止的性能测试。

迄今为止用于汽车零部件增材制造生产的主要材料是铝,而布加迪新的制动钳由钛制成。布加迪是与德国汉堡的Laser Zentrum Nord合作实现的,Laser Zentrum Nord中心自2018年初以来成为粉末床激光熔融领域的专家Fraunhofer弗劳恩霍夫研究所的一部分。

值得一提的是,布加迪通过粉末床激光熔融3D打印技术来制造新型八活塞整体式制动钳并不是仅仅用于原型,布加迪所进行的性能测试更是进一步揭示了这一创新的产业化前景,3D打印钛制动钳将应用于批量生产的车辆。

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根据百度百科,钳盘式制动器(caliper disc brake)是盘式制动器的一种。它的旋转元件是以端面工作的金属圆盘,称为制动盘。固定元件是工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块,每个制动器中有2~4个,这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中,总称为制动钳。制动盘和制动钳共同构成了钳盘式制动器。

盘式制动器又根据其固定元件结构形式的不同,分为钳盘式制动器和全盘式制动器。钳盘式制动器散热能力强,热稳定性好,故广泛应用于大多数轿车和轻型货车上。

国内制动器生产厂家包括上海汽车制动系统有限公司,大连鸿源机械制造有限公司,浙江正德制动器有限公司,温州市东启汽车零部件制造有限公司等。

布加迪改变了制动器的现状,其3D打印的制动钳长41厘米,宽21厘米,高13.6厘米,重量只有2.9公斤。与目前使用的重量为4.9公斤的铝制部件相比,布加迪可以通过使用新的钛合金部件确保更高的强度,并且使制动卡钳的重量减轻约40%。之前想采用钛合金材料来制造这样的制动钳难度是非常大的,由于钛材料的强度非常高,想像铸造或锻造铝的常规方法那样获得这样的零件技术难度很大。而3D打印打开了生产更加复杂的零件和难加工材料的可行性。

block 3D打印刹车片

谈到制动器的3D打印,就引出另外一个话题,那就是刹车片的3D打印,汽车刹车片,也叫汽车刹车皮,是指固定在与车轮旋转的制动鼓或制动盘上的摩擦材料,其中的摩擦衬片及摩擦衬块承受外来压力,产生摩擦作用从而达到车辆减速的目的。

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根据中国产业信息网,汽车刹车片一般由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成。其中,钢板要经过涂装来防锈;隔热层由不传热的材料组成;摩擦块由摩擦材料、粘合剂组成,刹车时被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生摩擦,从而达到车辆减速和制动的目的。由于摩擦作用,摩擦块会逐渐被磨损,一般来讲成本越低的刹车片磨损得越快。摩擦材料使用完后要及时更换刹车片,否则钢板与刹车盘就会直接接触,最终会丧失刹车效果并损坏刹车盘。近几年我国汽车刹车片市场规模快速增长,从2010年的67.66亿元增长到2017年的294.15亿元,年均复合增长率23.36%。 从目前的情况来看,刹车片企业主要集中在浙江、河北、湖北、广东、福建等地区,这些地区的产品占全国生产量近80%。如中国刹车片的领军企业山东金麒麟、山东信义、杭州杭城等。这些企业的产品市场覆盖率远远超过其它品牌。

而高铁领域的刹车片,国际上只有德国、法国和日本等少数几个国家能够生产高速列车制动闸片,其中德国克诺尔公司曾垄断全球80%以上高铁刹车片的市场。

根据3D科学谷的市场研究,近几年,国内高铁刹车片的研发与生产技术逐步获得突破,打破了国际公司垄断的局面,其中包括天宜上佳、贵州新安航空机械、博深工具、北京瑞斯福等。随着金属3D打印技术与应用面的深度结合,国内出现了将金属3D打印技术应用于制动闸片的探索。

根据3D科学谷的市场研究,通过电子束选区熔融或激光选区熔融3D打印技术,西迪技术股份有限公司将耐磨层直接打印在钢背表面,3D打印过程中采用的高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应、高度致密化,使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能。

其实不难理解为什么3D打印会应用到刹车片这样的应用领域。前文中提到的布加迪制动钳是由Laser Zentrum Nord制造出来的,而Laser Zentrum Nord属于德国Fraunhofer研究机构。Fraunhofer研究机构在超硬材料方面颇有研究,Fraunhofer IKTS 研究所的研究人员又找到了一种新的方法,目前他们可以使用熔融长丝制造技术来3D打印更硬的合金,为硬质合金的加工开辟了一种新的途径。Fraunhofer的这些制造超硬材料的3D打印经验是否会应用到刹车片领域?3D科学谷将保持持续关注。

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