增材制造为Honeywell汽车涡轮增压器研发注入新力量

| 3DScienceValley · 2017/03/13

汽车涡轮增压器在提高发动机升功率，改善发动机排放，提高燃油经济性、降低油耗方面具有优势，涡轮增压器制造技术属于高性能发动机核心零部件。出于保障能源安全、缓解污染等目的，包括中国在内的全球主要国家陆续加严油耗法规，并制定差异化的节能汽车技术发展路线，促进汽车节能水平的提高。这些严格法规和技术路线的出台，促进了涡轮增压器市场的增长。

我国自主品牌车企开发出的不同排量增压直喷发动机已实现规模化生产和应用，但与国外先进车型相比，自主品牌乘用车油耗水平差距仍较为明显，发动机中增压系统的主要供应商为外资品牌，Honeywell (霍尼韦尔) 就是我国涡轮增压器的主要供应商。

庞大的市场需求使Honeywell 面临着缩短研发周期和提高产品性能等方面的压力，不过Honeywell交通系统部门借鉴了航空零部件增材制造的经验，为涡轮增压器研发工作注入了一股新力量。TCT 2017亚洲高峰论坛期间，Honeywell交通系统中国研发中心的设计部经理田辉柏先生分享了增材制造技术在Honeywell涡轮增压器研发中所发挥的作用，以及Honeywell研发部门对3D打印技术的期望。本期，3D科学谷就与谷友们一起聆听来自汽车制造业用户的声音。

四大增材制造实验室
Honeywell是一家全球化的多元化高科技和制造企业，总部位于美国，足迹遍布70个国家，拥有近1250个办公室及生产设施，2016年销售额达393亿美元。Honeywell 的业务涉及：航空航天、智能家居与楼宇技术、特性材料和技术、安全与生产力解决方案四大板块。

Honeywell 航空航天集团提供全方位航空解决方案，包括机械、驾驶舱系统及软件解决方案，从硬件到空中资源的端到端互联解决方案，涡轮增压技术等，Honeywell 交通系统也隶属于该集团。航空航天集团是Honeywell 探索增材制造技术的先驱，最初探索增材制造技术可以追溯到2010年，那时第一个金属3D打印的零部件是一个带喷嘴的718镍基高温合金部件，此后霍尼韦尔航空航天集团研发了大量金属3D打印的航空零部件，并投入大量精力优化整个金属3D打印流程，包括金属打印粉末的生产和储存设施，打印过程监测和后处理。

2013年-2014年，Honeywell 在美国凤凰城、中国上海、印度班加鲁尔和捷克布尔诺建立了增材制造实验室，总共投入了20多台3D打印设备，其中大多数设备位于美国凤凰城实验室，涵盖了SLM、EBM、SLA等3D打印技术，设备品牌包括EOS、Arcam、 Concept Laser等。Honeywell 上海增材制造实验室配备了EOS M280等3D打印设备，以及热处理和金相分析设备。Honeywell 的四个增材制造实验室为研发中心提供工作支持，四大实验室之间相互交流与配合，实现全球协同发展。

涡轮增压器研发
Honeywell 是全球领先的汽车涡轮增压供应商，Honeywell 在“全球涡轮增压市场预测”中指出，至2020年全球涡轮增压车辆累计销量预计将达到2.32亿辆，涡轮增压市场增速将是整车行业复合年增长率（CAGR）3倍，增压器市场规模将高达120亿美金。到2021年，全球新销售车辆中将有接近半数（48%）采用涡轮增压技术，比2016年增长9个百分点。其中，中国市场领跑涡轮增压市场增长，预计新车中增压车辆占比将从32%提高到48%。

图片来源：Honeywell

中国市场对涡轮增压器需求的迅速增长一方面促进了Honeywell 交通系统业务的增长，但另一方面客户希望在更短的时间内得到交付，这给涡轮增压器的研发与小批量试制工作带来了压力。上海增材制造实验室参与到涡轮增压器的研发工作中之后，这种情况得到改善。Honeywell 上海增材制造实验室在承担起涡轮增压器的涡壳、转接头、管道和挡油板试制任务，试制这些零件的是EOS M 280 金属3D打印系统。

图片来源：Honeywell

实验室平均每周可以交付给上海研发团队1-2件使用该系统增材制造的涡壳，相比使用软模等传统制造工艺，交付时间明显缩短。如果使用模具来试制涡壳，由于所需的数量较少，涡壳的单件制造成本会高于增材制造成本。

如果涡壳的进口发生变化，设计团队就需要设计并试制全新的转接头，增材制造实验室用金属3D打印系统直接制造这些转接头，可在3-4天内实现交付，交期明显缩短。

除了在交期上的优势，增材制造的转接头和管道在产品性能上也有所提升，传统工艺制造的转接头由几个部分焊接而成，焊接处在使用中存在开裂的隐患，而增材制造的转接头或管道为一个整体的部件，产品的寿命和可靠性得到提升。

在进行挡油板的设计时，Honeywell 的研发团队对挡油板进行了薄壁优化，增材制造实验室在1周左右即可交付该零件，传统的开模、冲压工艺制造挡油板交期约为1个月。

增材制造的挑战
目前，增材制造技术在Honeywell 的涡轮增压器制造中所扮演的角色为研发阶段的试制，增材制造技术在缩短研发周期和提升产品设计自由度、产品性能方面给产品研发工作注入了一股新力量。Honeywell 的研发团队在受益于增材制造技术的同时，也期待着这一技术得到进一步的完善和发展，例如减少需要添加的支撑结构，更高的打印效率、尺寸精度和表面质量，包括去支撑、机加工及表面处理在内的后处理工艺与增材制造工艺更深入的集成。