當今的汽車製造商麵臨(lin) 著提高電動汽車效率的需求。製造商已經從(cong) 各個(ge) 角度解決(jue) 這個(ge) 問題：減輕重量、創建更高效的動力傳(chuan) 動係統、降低噪音。不過這個(ge) 過程是不斷迭代且永無止境的。

根據3D科學穀的市場研究，GKN根據粉末床激光熔化（L-PBF) 增材製造技術的特點，開發了3D打印合金鋼材料20MnCr5。這款材料能夠承受高磨損和負載，並結合3D打印所實現的功能集成進一步減輕重量，應用方向為(wei) 更高設計自由度、更高效、更集成的動力係統零部件製造。

早在2018年, 吉凱恩與(yu) 保時捷就利用該材料, 開發增材製造的電子驅動動力總成零部件。近日，吉凱恩揭示了20MnCr5 材料的力學性能，以及雙方在前橫向變速器零件-差速器殼體(ti) 增材製造設計迭代中的更多細節。

輕量化 – 堅固、耐磨

根據GKN，在粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技術領域，有兩(liang) 種重要的商用鋼材料：不鏽鋼和工具鋼。這些材料以其高耐腐蝕性和高強度，滿足工具製造和醫療器械製造的要求，但是市場上成本適中，具有由性能驅動的機械特性，並且有高耐磨性和疲勞強度的鋼基3D打印材料仍非常有限。

公稱密度和名義(yi) 成分下的典型性能。來源：GKN

GKN開發了可滿足汽車行業(ye) 要求的20MnCr5合金鋼材料，20MnCr5合金鋼是一種中等強度的鋼，可以進行表麵硬化處理，通常被認為(wei) 是表麵硬化齒輪的基準材料之一。這種合金鋼材料用於(yu) 粉末床激光熔化3D打印工藝，具有適中的材料成本，強度高且具韌性，具有高疲勞強度，可以通過表麵硬化實現優(you) 異的耐磨性。

用於(yu) L-PBF3D打印工藝的20MnCr5粉末SEM圖像。來源：GKN

該材料的應用方向包括製造應力高且耐磨的齒輪和關(guan) 節零件、主軸、齒輪與(yu) 其他機械零件。

20MnCr5 材料對於(yu) 汽車行業(ye) 來說打開了增材製造的新空間，汽車行業(ye) 首先可以通過這種材料進行原型製造，然後確認是否可擴展到大規模生產(chan) 應用。通過3D打印製造的零件允許工程師在幾周內(nei) 完成設計驗證，並進入到下一輪的設計迭代周期中。

在進行20MnCr5材料生產(chan) 的過程中，內(nei) 部應力可能導致零件變形，但通過特定的熱處理，可以減少內(nei) 部應力。

增材製造測試齒輪的熱處理和初始齒根疲勞測試。來源：GKN

如硬化曲線所示，增材製造齒輪達到了齒麵所需的淬火深度，但齒麵截麵卻顯示出較低的值。上圖顯示，增材製造齒輪的核心硬度比16MnCr5鍛鋼參考齒輪低約90 HV。初步測試結果表明，增材製造的低壓滲碳齒輪具有滿足當前16MnCr5中鋼質量水平的潛力。

為(wei) 了驗證粉末和3D打印技術的潛力，GKN和保時捷將20MnCr5 3D打印材料用於(yu) 製造前置橫向變速箱。為(wei) 了獲得最佳效益，他們(men) 使用3D打印技術製造重量減輕潛力最大的部件 – 帶齒圈的差速器殼體(ti) 。

在傳(chuan) 統的變速器中，齒圈和差速器殼在變速器內(nei) 發揮不同的功能。齒圈由特殊鋼製成，然後進行硬化和磨削以確保精度。差速器殼體(ti) 通常是鑄造的，用於(yu) 將扭矩從(cong) 環形齒輪傳(chuan) 遞到中心螺栓和錐齒輪。

由於(yu) 製造工藝和組裝方法的原因，寬齒圈齒由薄且有時偏心的圓盤支撐，圓盤連接到差速器殼。設計師對差速器殼體(ti) 進行了拓撲優(you) 化，並定義(yi) 了變速器內(nei) 的最大可用空間，去掉了錐齒輪，側(ce) 軸，軸承等所需的所有內(nei) 部輪廓（圖b）。

a）前橫向變速箱的常規差速器， b）差速器的封裝模型。來源：GKN

根據變速箱的規格和要求，所有載荷（軸承和齒輪）都施加到了封裝塊上。CAD優(you) 化工具提供了一種能夠承受所有所需載荷的結構。最終的結構是基於(yu) 增材製造為(wei) 設計帶來的自由度所設計的，無法使用常規製造技術生產(chan) ，而增材製造技術則可能產(chan) 生接近計算結構的產(chan) 品。

a）結構優(you) 化的差速器，b）差速器的內(nei) 部結構，c）差速器的有限元結果。來源：GKN

內(nei) 部形狀僅(jin) 由對結構完整性必不可少的有機梁和結構係統支撐，而這些形狀無法用傳(chuan) 統方法加工。雖然粉末床激光熔化3D打印技術釋放了傳(chuan) 統技術對於(yu) 設計的限製，但是該技術仍存在一些特有的設計限製，比如說需要考慮如何在3D打印完成後排出未熔融的粉末材料，而這一步需要在開展增材製造零部件設計時就進行規劃。

最終的有限元分析顯示出非常均勻的應力水平，並允許壁厚降低。由於(yu) 受到設備的限製，這在以前是無法實現的。

根據原始負荷要求，計算表明可以達到以下目標：

減輕13％的重量（約一公斤）徑向硬度變化減少43％切線方向上的齒剛度變化降低了69％慣性降低8％根據GKN，粉末床激光熔化3D打印技術與(yu) 20MnCr5材料一起使用，為(wei) 輕量化且結構堅固的車輛零部件生產(chan) 帶來了新的可能性。隨著金屬增材製造繼續發展並成為(wei) 主流工藝，該應用不僅(jin) 可以擴展到原型或賽車零部件領域，還可以擴展到批量生產(chan) 。