顛覆性創(chuàng)新金屬3D打印技術(shù)助力Moto2突破極限

在風(fēng)馳電掣的MotoGP摩托車(chē)賽事中，車(chē)輛性能的提升對(duì)比賽結(jié)果有很大的影響。Moto2車(chē)隊(duì)TransFIORmers在創(chuàng)新的前懸架系統(tǒng)中采用了先進(jìn)增材制造（金屬3D打?。┘夹g(shù)，并籍此獲得了巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

一、背景

MotoGP世界摩托車(chē)錦標(biāo)賽中出現(xiàn)的賽車(chē)均為特制車(chē)型，普通大眾無(wú)法接觸和購(gòu)買(mǎi)，而且它們也不適合在公路上騎行。比賽專(zhuān)用的摩托車(chē)需要專(zhuān)門(mén)定制，各家制造商使出渾身解數(shù)，確保其車(chē)輛性能優(yōu)于對(duì)手，賽道表現(xiàn)最佳。

Moto2是MotoGP賽事三個(gè)級(jí)別中的第二級(jí)，創(chuàng)立于2010年。該級(jí)別使用的官方引擎是600cc四沖程量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，目前由日本本田公司提供。TransFIORmers是一支來(lái)自法國(guó)的Moto2車(chē)隊(duì)，總部設(shè)在法國(guó)西南部的佩里格，目前正致力于徹底革新前懸架的設(shè)計(jì)，以保持賽車(chē)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

TransFIORmers車(chē)隊(duì)由前摩托車(chē)世錦賽250cc級(jí)別組車(chē)手Christian Boudinot領(lǐng)導(dǎo)，而其創(chuàng)新懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈感則來(lái)自于法國(guó)傳奇人物、摩托車(chē)設(shè)計(jì)師Claude Fior，他生前是Boudinot的導(dǎo)師兼摯友。

Fior很早便意識(shí)到將前懸架從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中分離能夠獲得更好的性能表現(xiàn)。該設(shè)計(jì)解決了“制動(dòng)俯沖”的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)摩托車(chē)在入彎時(shí)更晚制動(dòng)，而出彎時(shí)更早加速。

相比傳統(tǒng)的伸縮式前叉懸架，TransFIORmers摩托車(chē)采用了獨(dú)立的剛性前叉懸架系統(tǒng)，并通過(guò)兩個(gè)叉形臂與底盤(pán)相連。為了進(jìn)一步優(yōu)化這種創(chuàng)新的懸架設(shè)計(jì)，TransFIORmers找到了13D Concept公司，其在金屬增材設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域居世界一流水平。

13D Concept公司與TransFIORmers車(chē)隊(duì)密切合作，采用雷尼紹的AM250增材制造系統(tǒng)優(yōu)化了上部又形臂組件（兩組又形臂共同將前叉與底盤(pán)相連，它們對(duì)摩托車(chē)的操控非常重要）的設(shè)計(jì)。

二、挑戰(zhàn)

在Moto2摩托車(chē)新組件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，減輕重量是首要任務(wù)，尤其應(yīng)重點(diǎn)考慮減輕摩托車(chē)的“非簧載質(zhì)量”。非簧載質(zhì)量越輕，懸架在振動(dòng)（抖動(dòng)）控制方面的性能就越好，同時(shí)其對(duì)制動(dòng)和加速的反應(yīng)也就越快。

同等重要的工作還包括提高新組件的改進(jìn)速度，以及縮短再制所花費(fèi)的時(shí)間。要在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中做到最好，則需要有快速且精確的產(chǎn)品迭代。

在要求高可靠性的比賽環(huán)境中，機(jī)械強(qiáng)度則是另一個(gè)需要著重考慮的因素。只有當(dāng)TransFIORmers摩托車(chē)的叉形臂組件達(dá)到最高水平的剛度，才能夠應(yīng)對(duì)行駛過(guò)程中極高的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向力。

“為提高摩托車(chē)的整體性能，最重要的便是減輕減震器后方所有組件的重量。若無(wú)法優(yōu)化組件重量，就可能會(huì)對(duì)減震、制動(dòng)和加速造成不利影響。因此，減重始終是我們優(yōu)先考慮的一個(gè)因素，”TransFIORmers車(chē)隊(duì)的機(jī)械工程師Jer meAldeguer說(shuō)。

三、解決方案

TransFIORmers摩托車(chē)的原始叉形臂組件由鋼材制成，并通過(guò)手工打造完成；該組件包含十二個(gè)單獨(dú)加工并焊接在一起的部件。13D Concept公司將設(shè)計(jì)整合為單件式組件，從而大大縮短了裝配時(shí)間。

該公司采用雷尼紹AM250增材制造系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)金屬3D打印叉形臂；他們首先使用不銹鋼材料制作出原型，最后則用鈦合金材料制造出重量更輕的成品部件。

新3D組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是拓?fù)鋬?yōu)化的迭代過(guò)程，由于車(chē)身具有嚴(yán)格的空間限制，又形臂布局需要用軟件連續(xù)進(jìn)行合理規(guī)劃，以便滿足一系列預(yù)定義的前叉負(fù)載條件要求。

當(dāng)最終的組件設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)字CAD軟件的驗(yàn)證后，便可脫機(jī)生成成型準(zhǔn)備文件，然后將其導(dǎo)出至增材制造系統(tǒng)。

利用CAD軟件，13D Concept公司能夠評(píng)估預(yù)定參數(shù)是否最優(yōu)，或者是否需要調(diào)整參數(shù)以匹配特定的金屬粉末特性，以及又形臂復(fù)雜的目標(biāo)幾何形狀。

重要的是，使用AM250的專(zhuān)用光學(xué)控制系統(tǒng)（OCS）軟件，13D Concept公司能夠非常精確地控制激光準(zhǔn)直，這有助于提高加工精度及表面光潔度。

四、結(jié)果

通過(guò)在Moto2摩托車(chē)的設(shè)計(jì)上采用增材制造技術(shù)，TransFIORmers成功將又形臂前懸架這一關(guān)鍵組件的重量大幅減少了40%。對(duì)比原來(lái)的鋼制焊接組件，一體式鈦合金組件的重量減輕了600g。

金屬3D打印還令TransFIORmers能夠更精細(xì)地控制組件公差，并且快速靈活地完成叉形臂幾何形狀的迭代，以此滿足特定底盤(pán)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求。

“金屬3D打印幫助我們實(shí)現(xiàn)了叉形臂組件的減重，這令我們成功避開(kāi)了車(chē)輛的重量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及與‘制動(dòng)俯沖相關(guān)的問(wèn)題。使用這一技術(shù)不僅讓我們?cè)O(shè)計(jì)出重量更輕的部件，同時(shí)也顯著提高其剛度”，TransFIORmers車(chē)隊(duì)的機(jī)械工程師Jer meAldeguer解釋說(shuō)。

利用增材制造技術(shù)加工出的全新Ti6A14V鈦合金叉形臂，具有超過(guò)1100MPa的極限抗拉強(qiáng)度和幾近完美的99.7%的密度，與此同時(shí)，其剛度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原來(lái)由手工打造且由多部件焊接而成的鋼制叉形臂。

得益于增材制造技術(shù)，TransFIORmers的標(biāo)準(zhǔn)叉形臂開(kāi)發(fā)流程已變得愈加經(jīng)濟(jì)高效。大量耗時(shí)的部件加工和組裝工作得以避免，設(shè)計(jì)迭代和制造的速度因此提高了數(shù)倍。

2016年6月，車(chē)隊(duì)在巴塞羅那舉行的FIM CEV歐洲錦標(biāo)賽中贏得了自成立以來(lái)的首個(gè)Moto2 GP比賽冠軍。