德國大學(xué)生賽車隊(duì)用中國3D打印機(jī)提升方程式賽車性能

來源：易加三維

2021年，德國埃斯林根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)E-Stall大學(xué)生方程式賽車團(tuán)隊(duì)采用易加三維增材制造技術(shù)成功改善電動賽車電動傳動系統(tǒng)及電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)。

E-Stall賽車團(tuán)隊(duì)設(shè)計并制造了一款電動賽車來參加德國大學(xué)生方程式賽車。在整個賽車的制作過程中，E-Stall團(tuán)隊(duì)使用易加三維的增材制造設(shè)備對賽車的3大組件進(jìn)行大規(guī)模改進(jìn)，其中2個是熱交換器，使用EP-M260設(shè)備打印出高精度鋁制零部件，極大的提升了賽車在運(yùn)行過程中散熱效率，提高了賽車的整車性能。

△3D打印冷卻套

德國大學(xué)生方程式賽車？

德國大學(xué)生方程式賽車(Formula Student Germany)創(chuàng)辦于2005年，在位于萊茵河流域的霍根海姆舉辦。這一被稱為“全世界水平最高、規(guī)模最大”的大學(xué)生方程式賽車已成功舉辦16屆，大賽受全世界廣泛關(guān)注，奧迪，寶馬等知名企業(yè)紛紛贊助了此項(xiàng)賽事。

比賽要求按賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計并制造一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。為了給予參賽車隊(duì)最大的設(shè)計靈活性和自由度來發(fā)揮他們的創(chuàng)造力和想象力，賽事對賽車的整體設(shè)計只有少量限制。舉辦方通過搭建公共平臺對參賽車隊(duì)進(jìn)行全方位考核，旨在提高學(xué)生們的設(shè)計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力。

這意味著，德國大學(xué)生方程式賽車比賽，將不僅僅是賽道上速度的比拼，更像是商場中的較量。他們需要像汽車廠商那樣去思考，考慮賽車的受眾群體，思考賽車的經(jīng)濟(jì)適用性及推廣性，在滿足市場競爭格局的情況下制造出價格更低廉、加速性能更優(yōu)越、制動效果更好、操控性更舒適的賽車。同時，也需要考慮賽車整體的美觀性、駕駛舒適度、零部件置換等諸多方面。

整個賽制評審團(tuán)隊(duì)由賽車運(yùn)動、汽車領(lǐng)域及相關(guān)供應(yīng)商專家三部分組成，他們將根據(jù)各個賽車團(tuán)隊(duì)的造車程序、成本規(guī)劃、銷售計劃、賽車速度、賽道表現(xiàn)等多個維度綜合評分，從而評定出該賽季的佼佼者。

關(guān)于E-Stall

E-Stall已經(jīng)連續(xù)多年參加德國大學(xué)生方程式賽車，是該賽車項(xiàng)目的重要參與者與推動者。根據(jù)前幾個賽季的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，他們在本賽季對電動賽車的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造升級以提升賽車性能。E-Stall團(tuán)隊(duì)先前使用的冷卻套由耐溫聚合物制成，直接安裝在由兩個外殼組成的電驅(qū)動周圍。冷卻套的作用是調(diào)節(jié)驅(qū)動器的溫度并防止過熱，如果沒有足夠的冷卻，電機(jī)發(fā)生損壞的風(fēng)險相當(dāng)高。使用聚合物冷卻夾套期間，溶液容易發(fā)生泄漏，影響了賽車的整體性能且易發(fā)生安全事故。

在電動四輪驅(qū)動賽車中，電機(jī)的功率密度高達(dá)10kW/kg，在沒有冷卻的情況下，電機(jī)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時時會發(fā)生過熱現(xiàn)象，所以高性能電機(jī)必須冷卻才能保證賽車的正常運(yùn)行。該賽車有兩個冷卻回路，每側(cè)一個，為四個電機(jī)以及相應(yīng)的逆變器提供冷卻散熱。E-Stall團(tuán)隊(duì)通過使用易加三維EP-M260雙激光打印鋁合金冷卻套，在有效提升散熱效率的同時解決了冷卻部件的泄漏問題，顯著提高賽車駕駛性能及安全系數(shù)。

基于金屬增材制造技術(shù)，E-Stall團(tuán)隊(duì)可以嘗試設(shè)計冷卻回路更為復(fù)雜、散熱效果更好的賽車散熱器，為整體賽車水平的提升提供了可能，這是傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的。

E-Stall團(tuán)隊(duì)介紹說：3D打印冷卻套是一種高效可靠的產(chǎn)品。我們能夠創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這在任何傳統(tǒng)方式下都是不可想象的。借助易加三維最新增材制造技術(shù)，高精度打印實(shí)現(xiàn)減少壁厚，減小了零件的總體尺寸?！?br />

△逆變器冷卻性能改進(jìn)

同時，在冷卻套旁邊，易加三維支持E-Stall為其逆變器和轉(zhuǎn)向部件配備了冷卻板。兩者都實(shí)現(xiàn)了幾個組件的功能集成、輕量級設(shè)計和整體性能改進(jìn)。

△冷卻套散熱      

由于冷卻系統(tǒng)、連接器和安裝的功能集成，節(jié)省了組裝步驟，故障保護(hù)設(shè)計不再容易發(fā)生泄漏。零件的最小壁厚有助于減小總直徑，從而為電機(jī)周圍的其他懸架部件創(chuàng)造更多空間。

高精度高質(zhì)量3D打印零部件對其功能發(fā)揮至關(guān)重要。對于逆變器而言，高精度壓裝式冷卻套與冷卻板的平直度同樣重要。這兩個部件都可以很好地實(shí)現(xiàn)其功能，并將電機(jī)和逆變器保持在65°C以下，根據(jù)E-Stall團(tuán)隊(duì)的說法，這是一個“難以置信的好結(jié)果”。對比上一次賽季，電機(jī)運(yùn)行溫度達(dá)到120°C。由此可見，易加三維增材制造設(shè)備在滿足復(fù)雜化結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，可打印出高精度、高質(zhì)量、輕量化等工藝優(yōu)勢的零部件。

△冷卻夾套流動模擬

冷卻套的設(shè)計允許3,8kW的模擬冷卻能力。由于部件溫度較低，它們可以更高效地工作，從而使整個汽車的行駛范圍更長，加速性能也更高。

取得的成績

基于出色的零部件和整體性能工程設(shè)計以及整個E-stall團(tuán)隊(duì)的奉獻(xiàn)精神，他們在捷克和阿爾卑斯阿德里亞的工程設(shè)計競賽中獲得了第四名。動力傳動與車輛動力學(xué)項(xiàng)目經(jīng)理Felix Wenzelburger介紹說，“這門學(xué)科是檢驗(yàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計賽車能力和評估團(tuán)隊(duì)知識儲備的重要學(xué)科之一。”

在克羅地亞，他們完成了耐力項(xiàng)目，并獲得了效率類別的第一名。成功完成一場耐力賽是一項(xiàng)至高無上的榮譽(yù)，每個大學(xué)生方程式賽車團(tuán)隊(duì)均以此為目標(biāo)。耐力賽是一項(xiàng)高強(qiáng)度、高壓力、持久性賽車運(yùn)動項(xiàng)目，最大極限的測試并驗(yàn)證了賽車整車及零部件性能，成功挑戰(zhàn)對賽車團(tuán)隊(duì)具有里程碑意義。耐力賽驗(yàn)證了通過金屬增材制造工藝生產(chǎn)的熱交換器的高度可靠性和穩(wěn)定性。E-stall團(tuán)隊(duì)表示，他們未來會繼續(xù)與易加三維保持深入合作，加大增材制造技術(shù)在輕量級零部件及關(guān)鍵性能零部件的應(yīng)用拓展。

△EP-M260 金屬3D打印機(jī)

EP-M260 采用MPBF金屬粉末床熔化技術(shù)，成型室尺寸可達(dá)266*266*390mm3，以微米級金屬粉末為成型材料，有單激光和雙激光兩種配置可選，可打印鈦合金、鋁合 金、鎳基高溫合金、模具鋼、不銹鋼、鈷鉻鉬等材料，適于航空航天、軍工、模具等領(lǐng)域高精度、高性能零部件的直接制造。