四千字！3D打印技术在高性能汽车制造中的现有应用和当前挑战

2025年8月25日

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在高性能汽车领域，制造商利用增材制造技术的灵活性和精确性，突破性能、效率和定制化的界限。从发动机部件到空气动力学元件，这种方法能够应对各种技术挑战，同时缩短开发时间并降低成本。下文将探讨增材制造在高性能汽车中的应用，以及这一细分领域面临的挑战和局限性。

什么是高性能汽车？

高性能汽车是指旨在提供卓越动力、速度、加速度、操控性和技术精度的车辆。这些车辆通常来自法拉利、兰博基尼或布加迪等知名品牌，既包括跑车，也包括用于一级方程式赛车或耐力赛的赛车。

这些车型通常配备最新的发动机技术、空气动力学和轻量化材料，尤其注重纯粹的性能和驾驶体验。它们的设计要求极高的精度，因此增材制造等技术的集成尤为重要。

汽车行业的增材制造：关键事实

在汽车领域，制造商最初使用增材制造(AM)技术来以较低的成本和较短的工期生产复杂零件的原型。近年来，增材制造已成为生产高性能汽车零部件不可或缺的工具。

目前，增材制造的产量较低，阻碍了其大规模生产。然而，对于像一级方程式赛车这样不需要大规模生产的赛车运动来说，增材制造是一个理想的解决方案。一级方程式赛车队每个赛季只生产两辆赛车，而且考虑到开发过程中需要快速迭代，增材制造在该领域的工程团队中得到广泛应用也就不足为奇了。

一级方程式赛车中的增材制造，一项战略性应用

在一级方程式赛车中，增材制造技术在满足性能、创新和响应能力方面发挥着至关重要的作用。以下是增材制造技术在这一精英领域的应用：

快速原型设计和加速开发：团队使用增材制造技术快速创建复杂零件的原型，使他们能够在几天内在风洞或模拟器中测试多种变体。这显著缩短了设计与验证之间的时间。

制造功能部件：一些3D打印部件直接集成到赛车中，例如：

1.冷却管道：旨在优化气流并保持最佳温度。

2.空气动力学部件：定制导流板或管道，满足特定电路的要求。

3.轻质支架和固定装置：由增强聚合物或金属制成，减轻汽车的整体重量。

4.现场生产：一些车队将3D打印机带到围场，直接在比赛现场生产零件。这样就能在创纪录的时间内更换或调整部件。

5.风洞测试：使用3D打印的比例模型来试验空气动力学概念，然后将其应用于全尺寸汽车。

梅赛德斯-AMG马石油F1车队、红牛车队和迈凯轮等车队都采用了这些做法来最大限度地提高性能并不断创新。

该领域最广泛使用的技术包括立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)。每种技术在精度、生产时间和材料选择方面都各有优势。

3D打印部件在高性能汽车中的优势

人们对高性能汽车领域增材制造技术的兴趣日益浓厚，这源于您可能已经在其他应用中看到的几个关键优势：

1. 轻量化设计和材料优化增材制造能够创建蜂窝状等复杂结构，在保持高机械强度的同时减轻重量。最终结果是：车辆更轻，性能提升，能耗降低。

2.定制设计和个性化增材制造可以根据特定需求定制独特的部件。对于赛车或豪华汽车制造商来说，这种定制化是一大优势。

3. 降低成本和时间与通常需要昂贵模具和较长生产时间的传统方法不同，增材制造只需几个小时即可直接生产出零件。

4. 快速原型设计和创新设计团队可以快速迭代和测试不同的设计，从而加快创新周期。

高性能汽车增材制造所用材料

在高性能汽车中，增材制造所用材料的选择取决于其轻质特性、强度以及承受极端条件的能力：

1. 金属合金

1）钛：重量轻、耐腐蚀、耐高温。非常适合制造刹车卡钳或发动机部件等。

2）铝：用于需要良好导热性的轻质部件，例如散热器或支撑结构。

3）镍基合金：用于暴露在极高温度下的应用，包括排气系统或涡轮部件。

2. 先进聚合物

PEEK（聚醚醚酮）：耐高温、耐化学腐蚀、耐磨损。用于制造发动机舱的轻质结构部件。

增强尼龙（含碳或玻璃纤维）：具有高机械强度，同时保持重量轻，非常适合用于空气动力学部件或技术支架。

聚碳酸酯(PC)：用于需要透明度、坚固性和抗冲击性的应用。

3. 复合材料

碳纤维增强材料：广泛用于整流罩、风管或底盘支架等部件，它们兼具卓越的刚性和轻量化的特性。

4. 技术陶瓷：虽然不太常见，但3D打印陶瓷有时用于暴露在极热或腐蚀中的部件，例如密封件或隔热罩。

5. 原型专用材料：对于快速原型制作，可以使用PLA或ABS等塑料材料，尽管它们通常不适合高性能的最终应用。

这些材料使制造商能够设计出符合行业严格要求的零件，同时优化车辆性能。

高性能车辆中的具体应用

一些制造商已将增材制造技术融入其生产流程。以下是一些值得注意的例子：

2018年，#布加迪首次展示了3D打印钛合金制动卡钳，兼具强度与轻盈。这些部件能够承受极端应力，同时确保最佳性能。

随后，为了开发其最新超级跑车布Bugatti Tourbillon，这家法国制造商于2024年与美国公司Divergent合作，后者致力于开发用于工业数字化制造的端到端硬件和软件生产系统。此次合作使得Divergent自适应生产系统(DAPS™)能够用于底盘和悬架组件的设计、增材制造和组装。Divergent的端到端数字化车辆设计和制造方法使布加迪能够为车辆底盘设计出更高效的几何形状，从而显著减轻车辆重量并提升其性能。

2020年4月，#保时捷推出了3D打印活塞，这是保时捷最强劲的911车型（保时捷911GT2RS）高性能发动机的部件，旨在减轻活塞重量并提高发动机效率。

活塞制造采用激光粉末床熔融工艺，在3D打印活塞的底部集成了封闭式冷却通道——这是材料去除工艺无法实现的。这条复杂的冷却通道将活塞环的热负荷降低了20°C。与传统生产的部件相比，3D打印活塞的刚性更高，重量减轻了10%。得益于这些活塞，发动机的转速得以提高，燃烧效率也得到了优化。结果是，马力提升高达30匹，效率提升。在质量控制环节，3D打印活塞在发动机试验台上成功通过了200小时的耐久性测试。

2024年，#法拉利首次为其最新超级跑车F80配备了增材制造的结构部件。F80的独立悬架包括双叉臂配置、主动内置减震器和通过增材制造制成的悬架臂。

这家意大利制造商利用金属增材制造技术生产关键部件，充分利用其在赛车运动（尤其是一级方程式赛车）方面的经验。这些技术最初为赛车开发，性能经过精细调校，现在已集成到F80等公路车中。

该解决方案具有许多优势，例如优化的配置、更精确的车轮控制、减轻的非簧载质量、取消防倾杆以及引入专用的外倾角校正功能。该系统满足了两个看似相互矛盾的要求：一方面，需要在赛道上实现平稳操控，因为必须将高度变化降至最低；另一方面，需要在常规驾驶过程中灵活吸收路面不平整。这意味着汽车在道路上提供出色的操控性，同时在所有条件下都能最佳地管理下压力。

#迈凯伦汽车与Divergent合作，为其最新超级跑车迈凯伦W1提供设计和制造的先进悬架硬件。新款迈凯伦W1配备了受一级方程式赛车启发的前悬架，直接安装在Aerocell碳纤维单体壳上。Divergent的增材制造技术帮助迈凯伦开发出高效而复杂的悬架系统，以实现最佳的耐用性和刚性，包括迈凯伦最新超级跑车的上前三角、符合空气动力学设计的下三角和前支架。可见的前三角是Divergent 3D打印的关键部件。