減少高達 97% 的剎車粉塵，應對歐7，看3D打印如何為汽車減少有毒納米粒子
歐 7 標準是未來的廢氣和排放法規，預計將于2025年引入乘用車。 與現行的歐6監管標準相比，根據最近公布的歐盟草案，不僅要考慮內燃機的排放，現在還對剎車和輪胎的磨損進行監管。 在草案中你會看到最大的變化就在這方面。 事實上，廢氣排放限制只是適度降低，新規定主要適用于制動器和輪胎，這對汽車行業提出了新的挑戰。
WECODUR®通過將其超高速激光熔覆涂層技術和質量保證集成到領先機床供應商構建的系統中，并支持生產規模化。
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減輕排放
歐盟委員會現在正在通過歐 7 草案采取合乎邏輯的步驟，以控制除廢氣之外的另一個更普遍的車輛排放源：輪胎和剎車的微塑料和顆粒物排放。根據3D科學谷《應對即將出臺的“歐 7”排放規則，通過3D打印-激光熔覆為制動盤提供硬涂層大幅減少有毒顆粒》一文，停車時固有的摩擦力會導致極小的顆粒從剎車片上脫落。這些顆粒很小，分為 PM10（粗塵）和 PM2.5（細塵），能夠深入肺部。
根據歐盟委員會關于運輸外部成本的一項研究，通過剎車磨損脫落的重金屬也可能最終進入環境，對土壤和水產生負面影響。根據德國ACAM亞琛增材制造中心Johannes Henrich Schleifenbaum 教授，目前每天都在討論二氧化碳排放及其對氣候變化的影響。確實如此，CO2 對大氣具有全球影響——無論它排放到哪里。這意味著需要通過全球響應來應對碳排放。當涉及到顆粒物時，情況就不同了。顆粒物主要具有局部效應，這意味著它對排放源附近的人和環境造成的傷害最大，即十字路口、繁忙的道路或地鐵站。這是特別容易吸入顆粒物的地方。
研究表明，攝入這些顆粒會導致呼吸問題、某些形式的癌癥的發展，并增加患阿爾茨海默病的風險。
顆粒物是一個嚴重的問題，歐盟在其解釋性聲明中寫道，歐洲約有 30 萬人因顆粒物污染而過早死亡。美國的一項研究顯示，2019 年全球有 180 萬人因空氣污染過早死亡。研究指出，顆粒物含量高的地區冠狀病毒死亡率上升。改用電動汽車將消除尾氣排放并減少制動顆粒的脫落，然而，電動汽車不會完全消除非排氣顆粒物排放，其中包括來自剎車、輪胎和道路摩擦的顆粒。根據經合組織的一項研究，重量較重的電動汽車（例如電動 SUV）的 PM2.5 排放量可能比內燃機汽車多 3-8%。
研究表明，剎車和輪胎排放的顆粒物將繼續對健康構成威脅，甚至在電動汽車革命后可能會增加。而歐盟通過其“歐洲地平線”研發計劃為開發減少車輛顆粒物的技術提供了數百萬歐元的資助。
了解制動系統
那么顆粒物在多大程度上是一個問題？是什么讓它危害健康并對環境有害？
截至今天，根據車輛的不同，標準化 WLTP 駕駛循環中的乘用車每公里排放 5 至 40 毫克的顆粒物，在此駕駛循環中測量小于 10 μm 的顆粒，稱為 PM10。在歐 7 草案中，無論車輛大小，上限都降低到每公里 7 毫克 PM10。不管是小型車還是重型車，顆粒物超標都是不允許的。
顆粒物的來源之一：剎車，如何減少車輛制動系統的排放？
根據德國ACAM亞琛增材制造中心Johannes Henrich Schleifenbaum 教授，剎車是這樣工作的：制動動作會在制動盤和制動襯塊之間產生磨損，由此產生的磨損是顆粒物。
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當然，車輛不能在沒有制動器的情況下四處行駛，因此 70 年來剎車系統一直依賴今天所知道的制動盤。制動盤、制動鉗和制動襯塊的機械結構看似簡單，但實際上，該系統的細節非常復雜。作為對于安全至關重要的組件，它需要經過精確的設計、測試和批準程序。因此，對該系統的進一步開發總是很復雜。
關于剎車盤的討論
重要的是要了解制動系統，考慮如何創新涉及產生摩擦的兩個部分：制動盤和制動片。這兩個零件的相互作用和相關的磨損使車輛以驚人的速度減速——正如大多數人已經經歷過的那樣，制動這個過程同時會產生剎車粉塵。
根據Schleifenbaum 教授，傳統的制動盤只是簡單地在摩擦表面上附加了一層腐蝕和磨損保護層——例如，由不銹鋼和硬質顆粒制成。盡管帶涂層的制動盤原理已經上市多年，但由其昂貴且對質量極其敏感的生產工藝，僅用于高端跑車的小眾市場。
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從源頭減少微顆粒產生
但現在已經不是這樣了，近年來，已經能夠將亞琛工業大學和弗勞恩霍夫研究所的創新高速激光熔覆工藝帶來的涂層效果應用于制動盤。并從科學實驗室走向產業化道路，使其適合大規模生產。亞琛增材制造中心-ACAM所孵化的技術WECODUR®，通過3D打印實現低排放制動器，提高了耐腐蝕性并減輕了重量，由于高速激光熔覆工藝的進一步發展和工業化，制動盤現在可以使用 WECODUR® 技術進行可重復的涂層，這使得在汽車的大規模生產中具有經濟可擴展性。
WECODUR®通過將其超高速激光熔覆涂層技術和質量保證集成到領先機床供應商構建的系統中，并支持生產規模化。
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目前正在對 WECODUR® 結果進行測試。根據涂層系統、剎車片和運動質量，可以減少高達 97% 的剎車粉塵。因此，汽車制造商僅通過使用WECODUR®的硬涂層制動盤和合適的制動片就可以滿足特定的排放法規。車輛不需要以任何其他方式進行改裝。同時，剎車圓盤可以是一種輕型結構，每 100 公里可減少 100 克以上的二氧化碳排放。根據Schleifenbaum 教授，這從根本上解決了問題并從源頭上減少了微顆粒排放。
就汽車開發周期而言，歐 7 標準是后天出臺的，但是汽車制造商現在必須同時做兩件事：一方面，涂層制動盤和制動襯塊作為摩擦學系統進行測試和認證，即在不同車輛的基礎上相互協調。然而，考慮到批量生產的采購和啟動時間，還需要毫不拖延地規劃、采購和設置生產技術。因為生產工藝太新，所以必須特別強調保證質量。
與傳統的制動盤不同，新的涂層技術不是CNC機械加工過程，而是增材制造過程。這意味著涂層系統的性能不僅取決于所使用的材料，而且在很大程度上取決于這種增材制造工藝。
WECODUR®通過將其超高速激光熔覆涂層技術和質量保證集成到領先機床供應商構建的系統中，并支持生產規模化。根據Schleifenbaum 教授，一方面，生產技術對材料性能的影響已經是一個挑戰。這是一個很高的進入壁壘，即使對于成熟的機器供應商也是如此。另一方面，WECODUR® 技術具有高度可重復性，多年來WECODUR®一直致力于此并進行大規模測試。這意味著當涂層系統經過測試和認可后，可以在大規模生產中穩定生產。
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