未来材料

比起仅仅怀揣梦想,实现梦想更妙不可言。保时捷的研发人员将这句话践行到了极致:那些看上去不可思议的火花终将成为切实可行的技术。

乍一眼看上去并未发觉有什么了不起的技术创新:菲利普·科尔纳(Philipp Kellner)将一块压制的钢板放在了桌子上。这块钢板未来将装配在车辆底部的门槛处,首先支撑门铰链,然后向上延伸,由侧面包裹住挡风玻璃,这位魏斯阿赫车身构造前期研发部门的保时捷专家解释道。该部件便是 A 柱,是车前端第一根重要的车身立柱。在大部分车型中 A 柱和 B 柱、C 柱一起共同组成了座舱,起着至关重要的救生作用。尤其是像敞篷车型及双座敞篷跑车,车辆倾翻时 A 柱可以为车内乘客提供宝贵的求生空间。

薄钢板型材内完美嵌入了另一件由高强度钢制成的型材。仅仅是这个毫不起眼的金属件便体现了最精妙的工程艺术:它的厚度不尽相同,越靠末端越轻薄,越靠中心越厚重。

无形的支柱

带有菱形加强杆的黑色塑料材质包裹着高强度钢型材,进而从内部提供支撑。“从外面看不到的是:在以液态注入的短玻纤增强塑料和金属之间还有两层热塑性玻璃纤维板,我们称之为有机纤维板。”科尔纳讲解道。所有这一切促成了 3D 复合 A 柱的诞生,一种由保时捷发明的新型复合材料结构设计。它的优势在于:就像现在的敞篷车型所配备的高强度钢管 A 柱 一样,复合材料 A 柱在车辆倾翻时也不会弯折。具备同样优异的性能,重量却至少减轻了 5 公斤。“未来的轻质车身势必将不同的轻质材料相互组合,如高强度钢、铝、镁和碳纤维增强复合材料。新型的复合材料结构设计也将在这个领域占有一席之地。”车身构造前期研发部门负责人马蒂亚斯·弗乐施勒(Mathias Fröschle)说。保护乘员的安全是保时捷最看重的品质之一,3D 复合材料结构设计在此做出了卓越的贡献,不仅如此,还交出了比目前所有解决方案都更加轻便、成本却几乎没有增加的完美答卷。

 

3D 复合 A 柱
一个高强度钢制成的嵌件,包裹着热塑成型的玻璃纤维毡,注入短玻纤增强塑料,替代了传统的钢管。效果:A 柱同样可以承受住倾翻,但重量却明显减轻。优化的支撑结构由塑料肋条构成,不会折弯,而是弹性弯曲。这项创新技术的研究工作将在本年度内顺利完成,由此便扫清了未来应用该技术打造保时捷轻质车身的一切障碍。

 

 

制动踏板
未来可能应用在 A 柱内部的材料,现在的新款 Panamera 和 918 Spyder 车主在其跑车座驾的脚坑区域便可以看到,因为制动踏板就是由完全相同的热塑性复合材料制成的。

 

 

最精细的不锈钢粉末
很久以来复杂的形状都是铸造厂的一个难题。然而,所谓的增材制造方法却颠覆了这一想法:激光可以将粉末逐层熔结成几乎任何所需的形状。

 

918 Spyder 和最新款 Panamera 的车主只要看一下制动踏板,便会看到这项研究的基础。脚下黑色的纤维闪闪发光,许多人会以为是碳纤维。但是来自保时捷踏板和操控装置研发部门的埃德加·格林德克(Edgar Grundke)却摇了摇头:“这些是热塑成型的玻璃纤维毡,其下方是玻璃纤维增强塑料制成的骨架。”正是这种结构未来会用于 A 柱上,赋予其超强的刚度。“这种材料纯度高,比金属轻,具备持久的稳定性。”格林德克继续说道:“到目前为止还没有人敢于进行量产,保时捷是全世界范围内第一家将这种材料投入量产的制造商。”他的语气中充满了自豪。保时捷的勇气,已经换来了累累硕果。新的制动踏板也将会运用到之后的车型当中。就职于魏斯阿赫创新和前期研发管理部门的亨德里克·塞巴斯蒂安(Hendrik Sebastian)也确认了这一点。这个部门不仅负责管理来自前期研发部门的一切信息,其他包括放眼未来开拓创新、评估和推进研究工作、洞察发展趋势,都在他们的工作范围内。他们提出的问题就如同向水晶球提问:客户在 5 年、10 年、15 年后想要什么?到了那时候将出现哪些技术?这项工作不仅需要具备抽象思维和想象力,更要有在将梦想变成现实的道路上坚定不移走下去的决心。保时捷的设计师信奉一个定义鲜明的理念:“驾驶状况千变万化,卓越性能始终如一。因为设计保时捷跑车时我们总是会挑战技术可行性的极限。新型的材料设计和生产方案在此不可或缺,唯有这样,我们才能确保为客户创造可持续增长的附加价值。”塞巴斯蒂安阐述了该部门的工作宗旨之一。

“设计保时捷跑车时我们总是会挑战技术可行性的极限。新型的材料设计和生产方案在此不可或缺。” 亨德里克·塞巴斯蒂安

关于如何选材以及可行的制造方法,都将由施特凡·施密特(Stephan Schmitt)主管的材料技术部门的专家完成。在这条努力追求梦想的路上,必须克服条条框框的束缚。举个例子:大多数智能手机使用的都是被大家俗称的大猩猩玻璃,一种具备高强度、轻薄等特点的薄层玻璃,光学性能极佳。“在配备魏斯阿赫组件的 918 Spyder 车型上,我们首次尝试装入由类似材料制成的小块窗玻璃,这种复合玻璃由两层薄层玻璃制成,中间夹了一层薄膜。”来自车身前期研发部门的马尔库斯·舒尔茨基(Markus Schulzki)手中拿着一块大约 20 厘米见方的窗玻璃:这是运动性能最高的 918 车型中位于座椅后方防护杆之间的尾窗。这块玻璃的轻薄超乎想象。用手指在上面轻轻敲击时,声音听上去像是塑料。 “所有人都以为是塑料”,舒尔茨基说,“但它的确是玻璃。这只是曾经小试身手的成果,现在我们已经取得了长足的进步。“在最新款的保时捷 911 GT2 RS 和 911 Carrera T 中,后侧车窗和尾窗完全由薄层玻璃制成,因为在保时捷的倡议下现在也诞生了具有弧度的薄层玻璃。就在不久之前这在技术 上还不可行。这种玻璃的总厚度不到两毫米,重量减轻了约 40%,抗石击强度却增加了两倍还多。此外,该玻璃还具有几乎 100% 的防紫外线性能、显著提高的保温效果和更佳的隔音效果。“会过滤掉由风引起的高频噪声,但会保留低频。您会更加清晰地感受到那些美妙的声音,例如六缸水平对置发动机的轰鸣声。”舒尔茨基毫不掩饰自己对经典发动机的偏爱。

座舱中的玻璃革新

得益于智能手机,通信技术也为汽车行业提供了一种可在车辆中用作信息载体的材料。除了外部组件,马蒂亚斯·弗乐施勒也负责研发内饰解决方案。他展望的未来是这样的:“中控台圆润的操作面板完全由薄层玻璃制成。凭借薄膜技术可以完全按照驾驶员和前排乘客的需求生成个性化显示屏和控制元件。通过手势触控便可激活菜单,而通过玻璃触点的触觉反馈便可得知指令已执行。”

转子轴
如果采用传统的生产工艺,电机的核心部件必须由多个组件组成。激光熔结法则实现了在内部加工形成精细的加筋结构,且所用材料更少。通过这种工艺生产的轴重量将明显变轻。

 

911 GT2 RS 车型的侧车窗
保时捷 911 GT2 RS 的高强度侧窗玻璃(目前还处在原型设计阶段),无论任何尺寸,均有一定的弧度。在重量减轻 40% 的同时,还提高了功率重量比、滤除了风噪声。

 



大猩猩玻璃
高强度薄层玻璃的构想最初来自于手机或笔记本电脑的显示屏设计。保时捷是第一家坚持采用这种由砂、回收玻璃和保护膜制成的复合玻璃的汽车制造商。越来越多的新车型装配了这种新型玻璃,因为薄层玻璃更坚固、更轻薄,防紫外线性能更佳,未来甚至可能具备显示屏功能。
 

亨德里克·塞巴斯蒂安和他的同事们还设想出了更多的可能性:“搭载增强现实技术的全新形式、窗玻璃和显示屏。例如乘客透过车窗看到一座古老的骑士城堡,轻轻敲击玻璃表面,装在侧面的摄像头便会扫描城堡并将图像与来自互联网的信息进行匹配,信息会实时显示在城堡旁边的车窗上。”薄层玻璃之间的薄膜相当于一个屏幕,这并非天方夜谭,而是立足于现在的技术发展状态。根据日照强度或乘客的意愿连续调节明暗度,自然也不在话下。

由植物纤维打造的保时捷

此外,保时捷还致力于研究由可再生原材料制成的内饰组件。“现在已经有了用植物纤维制成的车门板,只是目前还无法满足顶级车型制造商的要求。”弗乐施勒大致介绍道。不过不久的将来保时捷一定会使用各方面都具有说服力的组件。“即使到了 2048 年,也不会有完全由水藻和植物纤维制成的保时捷问世,但是可持续发展和再循环利用一定是具有重要意义的主旋律,”对此塞巴斯蒂安深信不疑。“重要的是,除了考虑材料的创新,也要思索新的生产方法,如增材制造。”

这里塞巴斯蒂安指的便是人们通常所说的 3D 打印,这是驱动前期研发部门的法尔克·海勒福尔特(Falk Heilfort)和弗朗克·伊金格(Frank Ickinger)的专业领域,他俩为大家展示了一个圆柱形的立体件。这是电机的转子轴,电磁产生的扭矩传送到变速箱,也就是电机的曲轴。“这个转子轴是由特种不锈钢制成的。”海勒福尔特解释道。轴旁边放着一个小玻璃管,里面装着特别细的灰色粉末:这是组成这个坚固组件的细小基质。在净化室里,将一薄层粉末均匀地散布在一个平面上,用激光进行精准熔结,从而形成一种固态物质。然后在上面再铺 上一层粉末,再次熔结。逐层加工之后,这些粉末便会“长成”一个长约 50 厘米的转子轴。与传统的铣削件和车削件相比,其优势在于:所用材料更少,多余的粉末可直接重复使用,同时可加工更为复杂的形状。也正因为如此,转子轴的内壁为精细的加筋结构,稳定性更佳。

而在车床上不可能轻易加工这样的形状。必须首先铸造出轴的一部分,然后焊接在一起,才能生产出相同的部件。“而眼前的这个是一个完整的部件——更稳定,更轻,刚性更强,动力啮合性能更优”,伊金格一一列举着它的优点。到目前为止,缺点是:“打印这样的一个轴目前耗时达 13 个小时。”因此批量生产还未提上日程,但这项技术将引领动力的革新。亨德里克·塞巴斯蒂安补充道:“增材制造彻底颠覆了我们开发组件的方式和方法。我们可以在更短的时间内完成优化和试验,并显著提高性能。这是一次无与伦比的产品革新和工艺创新,其潜力还远未充分挖掘。虽然我们还面临许多挑战,但如果为此惧怕或退缩,我们就不是保时捷。”零件中间那些精细的弧形冷却通道便是这种产品和工艺创新的成果。海勒福尔特对此也满怀信心:“我们在这里所做的研究很快就让发动机的结构更紧凑、性能更出众。”

没有可再生的保时捷,也不会有跑车是用 3D 打印机打印出来的,但到了 2048 年保时捷一百周年的时候,保时捷跑车会由多种根据需求量身打造的高纯度材料制成。越来越多、越来越好的材料将作为钢和铝的补充,帮助保时捷实现各个层面追求尽善尽美的理念。这需要展望未来的愿景,需要探索求知的精神和勇于创新的魄力。而对于魏斯阿赫研发中心的专家们来说,万事俱已备。

Thorsten Elbrigmann
Thorsten Elbrigmann