学生方程式是欧洲最成熟的教育赛车比赛，汇集了来自欧洲大陆的行业领袖、知名工程师、大学和学生。目的是设计和制造一辆单座赛车，在通常为一级方程式赛车保留的赛道上比赛。学生方程式赛车也是一个非常适合创新的地方，尤其是在新的制造方法和设计工程方面。

在 2015 年汽车工程师方程式协会 (FSAE) 比赛中，斯旺西大学与全球工程公司和增材制造专家雷尼绍密切合作，重新设计了赛车的中冷器，并在雷尼绍 AM250 增材制造系统上进行制造。FSAE 的历史可以追溯到 1981 年，当时它首次在美国成立。多年来，该竞赛越来越受到世界各地学术界和工程界的欢迎。每年都会提交创新设计，通常会突破传统汽车运动的界限。

增材制造的地方

斯旺西大学赛车工程是自 2001 年以来一直处于比赛前沿的学生方程式车队之一，尝试新的设计和技术。该团队由来自不同学科和研究水平的工程专业学生组成，他们与材料高级表征中心 (MACH1) 和斯旺西大学 ASTUTE 项目的专家一起工作，并由威尔士政府和威尔士欧洲资助办公室资助。

斯旺西大学团队专注于开发汽车的不同方面，包括悬架、发动机、底盘和热传递。学生们的创新方法是务实的：如果你把一辆车拆开，改进每个部件，然后把所有部件重新组装起来，整体将大于部件的总和。今年进行彻底改造的部件之一是汽车的中冷器。目的是重新设计组件，使其比旧组件更轻、更紧凑。这些因素的结合有望提高汽车的速度。为了实现这一目标，该团队寻求增材制造，更具体地说，是金属粉末床融合。

金属粉末床融合使用强大的高精度激光来融合精细的金属粉末，以形成高度复杂的功能部件。零件的设计使用 3D 计算机辅助设计 (CAD) 进行了优化，并且组件本身可以由在严格控制的惰性气氛中熔化的各种金属粉末制成，层厚从 20 μm 到 100 μm .

为什么是中冷器？

汽车工业中使用涡轮增压器和中冷器来增加流入内燃机的空气密度。这允许每个冲程燃烧更大量的燃料，同时仍保持相同的空燃比。反过来，燃烧燃料量的增加会在气缸盖中产生更高的压力，从而使发动机提供更多动力。从本质上讲，涡轮增压器和中冷器可以让汽车加速并达到比其他方式更高的速度。

涡轮增压器由连接到压缩机的涡轮组成，涡轮连接到发动机的排气管。热废气流过涡轮机，使其旋转。这会增加进入发动机的空气压力 - 也称为增压压力。压缩空气的不良结果是进入发动机的空气温度升高。热空气占据更大的体积。

这就是中冷器的用武之地；位于涡轮增压器压缩机的出口和发动机进气室之间，它从流入发动机的空气中带走热量并将其传递到周围的大气中。这进一步增加了流入发动机的空气密度，从而产生更多动力。

“如果没有雷尼绍的持续支持，该项目就不会如此成功。增材制造是一个复杂的过程，因此每当您遇到任何障碍时，能够咨询专家总是有帮助的。幸运的是，雷尼绍只需要一个电话，因此他们的团队在设计、测试和制造阶段为我们提供了帮助。”

斯旺西大学（英国）

零件要求

显然，中间冷却器的位置至关重要，因为该部件需要流动的环境空气来冷却进入发动机的增压空气。通常，中冷器位于车辆前格栅的后面，但由于它们的重量，它并不总是赛车的最佳选择。事实上，在斯旺西大学方程式学生车中，位置是挑战之一。中冷器位于驾驶员后方，发动机上方 - 就热传递而言，这不是最佳位置。

新的高性能换热器需要具有出色的热传递和通过系统的低压降。增材制造提供的更广泛的几何形状意味着该团队可以试验更多创新设计，以实现更好的气流。有趣的是，虽然增材制造以前曾用于一级方程式赛车，但由于汽车中冷器的大规模和横流特性，当前的项目是独一无二的。

克服设计挑战

该项目的主要障碍来自设计、材料和软件挑战。该团队的目标是确保为发动机提供高密度的增压空气，同时仍保持良好的空气质量流量。该中冷器还需要尽可能轻，以提高加速度。

“设计对最终产品产生了巨大影响，甚至比材料影响更大，这是我们最初没想到的，”斯旺西大学材料高级表征中心 (MACH1) 主任 Nicholas Lavery 博士解释说。 “虽然我们的学生不得不多次回到绘图板上，但他们对最终产品非常满意。当结果出乎意料时也很有趣；这要么意味着你搞砸了你的计算，要么你正在做一些好事。幸运的是，在这种情况下，是后者。”

为了确定最佳替代方案，学生们测试了四种中冷器核心设计。不同的迭代反映了不同制造方法的设计原则和能力。用作基准的第一个磁芯设计是传统制造的铝合金 AlSi10Mg 磁芯，在环境侧采用简单的垂直设计，在升压侧采用正弦波形。

第二个岩心由 316L 不锈钢设计，采用金属粉末床融合技术。该设计与第一个相同，但用于测试增材制造增加的表面粗糙度如何影响传热和压降。

当学生开始尝试该技术的设计自由时，增材制造的真正好处就来了。第三个中冷器核心有一个三维星形晶格来形成网格——这种设计只有通过增材制造机器才能实现。网格是使用增材制造软件生成的，虽然需要多次迭代，但团队知道他们是赢家。

第四个也是最后一个核心使用与网状核心相同的三维星格结构，但也使支柱横截面更细，这意味着更高的表面积和密度。虽然优于铸造，但表面光洁度不如制造表面光滑。测试发现，增材制造的中冷器具有更高的表面粗糙度，其性能优于传统中冷器。

这种反直觉的结果可能是由于更好的空气混合、改变的流动条件或两者的结合。一个很好的例子是鲨鱼皮，它粗糙但非常有效。最近，仿生学，工程中对自然的研究和模拟，已成为热门话题。增材制造可以在创造和研究新颖的形状方面发挥作用。

应对材料和软件挑战

在学生确定最有效的设计后，他们应该使用什么材料的问题成为焦点。他们最初尝试了钛 Ti6Al4V，这是一种比不锈钢更轻的替代品，但导热性较低。

在这个阶段，雷尼绍介入并提出使用铝合金 AISi10Mg 制造零件，这种材料因其高导热性和轻重量而被认为是理想的材料。雷尼绍使用学生的设计制造中冷器。

处理设计实际上是该项目最复杂的方面之一，主要是因为它们的尺寸很大。然而，正是计算机辅助设计 (CAD) 功能允许最有效地定位晶格以实现最大热效率，从而提高中冷器的能力。

“如果没有雷尼绍的持续支持，该项目就不会如此成功，”Lavery 补充道。 “增材制造是一个复杂的过程，因此每当您遇到任何障碍时，能够咨询专家总是有帮助的。幸运的是，雷尼绍只需要一个电话，因此他们的团队在设计、测试和制造阶段为我们提供了帮助。”

“与雷尼绍合作对学生来说是一个绝佳的机会，”斯旺西 FS 团队的教师顾问 Davide Deganello 补充道。 “它使我们能够促进斯旺西大学、学生和行业之间的联系。”

该项目清楚地展示了将增材制造用于汽车行业和赛车运动子行业中使用的中冷器的好处和机会。这两个行业都在转向使用更小的涡轮增压发动机，这意味着减少碳排放，同时增加功率输出。

事实上，一级方程式最近进行了其历史上最大的变革之一，在 2014 年，发动机从 2.4 升自然吸气发动机改为 1.6 升涡轮增压发动机，并配有小型电动机以增加动力。

众所周知，赛车的无情要求会激发革命性的驾驶创新，例如更智能的轮胎、碳纤维底盘和牵引力控制。

谁能说增材制造零件不会成为汽车行业的下一件大事？