Selektives Laserschmelzen 3D-gedruckter Motor ist 20 Prozent leichter

| Aktualisiert am 12.02.2021Redakteur: Katharina Juschkat

Mittels selektivem Laserschmelzverfahren hat ein Forschungsprojekt einen Verbrennungsmotor konstruiert, der 21 Prozent leichter ist. Außerdem schaffte eine neue Konstruktion eine bessere Kühlung und einen effizienteren Ölkreislauf.

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Der 3D-gedruckte Motor spart Gewicht ein und ist effizienter.
Der 3D-gedruckte Motor spart Gewicht ein und ist effizienter.
(Bild: FEV)

Im Forschungsprojekt „Leichtbau Motor“ – kurz „Leimot“ – hat ein Verbund aus Wissenschaft und Wirtschaft einen Verbrennungsmotor mittels Laserschmelzverfahren hergestellt und damit knapp 21 Prozent Gewicht eingespart. Außerdem wurde die Effizienz der Kühlung und des Ölkreislaufs erhöht.

Verbundprojekt Leimot

Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines leichteren Verbrennungsmotors, bei verbessertem Betriebswirkungsgrad, Betriebsverhalten, Thermomanagement und reduzierter Geräuschentwicklung. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert, Projektträger ist TÜV Rheinland.

Die Kooperationspartner sind:

- FEV Europe GmbH: Leiter des Konsortiums, Entwicklung und Konzeption des Motorengesamtkonzepts
- RWTH Aachen University – Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA): Design, Simulation und Erprobung
- FH Aachen University of Applied Sciences: Prozessentwicklung und Unterstützung für komplexe LPBF-Bauteile
- Fraunhofer ICT: Design, Simulation, Prozessführung zur Herstellung komplexer Bauteile aus faserverstärkten Polymeren
- Fraunhofer ILT: SLM-Prozessführung von komplexen Bauteilen aus Aluminium
- Volkswagen AG: Bereitstellung des Basismotors in Hardware / CAD, vergleichende Mechanikerprobung
- Inpeca GmbH: Herstellung von komplexen Bauteilen im SLM-Verfahren
- WFS: Herstellung von Spritzgussformen

Im Fokus standen der Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse eines modernen Zweiliter-Großseriendiesels. Anstatt wie bisher per Aluguss wurden die beiden Bauteile im selektiven Laserschmelzverfahren hergestellt. Als pulverförmiges Ausgangsmaterial wurde die Aluminiumlegierung AlSi10Mg verwendet. Diese additiv hergestellten Baugruppen sind etwa 21 Prozent leichter.

3D-gedruckter Zylinderkopf spart 2,3 kg Gewicht

Der neu designte Zylinderkopf spart 2,3 kg Gewicht, das entspricht 22 Prozent gegenüber der Originalkomponente. Dazu galt es, insbesondere die mechanisch hoch beanspruchten Stellen gezielt zu verstärken: Denn bei der Verbrennung kommt es vor allem zu Biegebelastungen, im Gesamtverbund des Motors dagegen zu Torsionsbelastungen. Das beste Verhältnis aus Gewichtseinsparung und Steifigkeit ist die Kombination eines Doppel-T-Trägers (IPB) und eines integrierten, geschlossenen Schubkastens.

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Der Auslasskanal ließ sich aufgrund der additiven Fertigung direkt wärmeisoliert im 3D-Druck herstellen. Dadurch heizen sich die Abgasnachbehandlungssysteme schneller auf. Auch die Turbineneintrittstemperatur und damit der Wirkungsgrad des Turboladers steigen.

Kurbelgehäuse spart 5,1 kg Gewicht ein

Aus Gewichts- und Steifigkeitsaspekten fiel beim Kurbelgehäuse die Wahl auf das sogenannte Short-Skirt-Design mit einer Alu-Unterkonstruktion (Bedplate). Der Austausch der Stahllagerdeckel gegen das Bedplate wurde durch die reibungsreduzierten Hauptlagerdurchmesser des Diesel-Grundmotors möglich. Mit dem neu designten Kurbelgehäuse einschließlich des Bedplates konnte das Gewicht gegenüber der Originalkomponente um 5,1 kg reduziert werden.

Die Schottwände des Kurbelgehäuses erhielten offene, horizontale Belastungsstrukturen, die an geeigneten Stellen ein Kreuzrippenverbund versteift. Für zusätzliche Verstärkung sorgen zwei gewichtsreduzierte Verbindungsrohre im Bereich der Ausgleichswellen. Auf Basis von Topologie-Analysen wurden niedrigbelastete Zonen durch Gitternetze (Lattice-Strukturen) und Hohlräume optimiert.

Die Seitenabdeckungen des Kurbelgehäuses bestehen nun aus glasfaserverstärktem Phenolharz und sind dadurch etwa 15 Prozent leichter.

Neue Kühlung mit einzelnen Kühlleitungen im Zylinderkopf

Die neue Querstromkühlung erlaubt es, die Temperaturen der Zylinder zielgerichtet zu senken und zugleich die benötigte Wassermenge zu reduzieren. Ein konstruktiver Hauptunterschied sind einzelne Kühlleitungen im Zylinderkopf, die den großvolumigen Wassermantel ersetzen. Die Temperaturen in der Brennraumplatte sinken so um bis zu 40 Prozent. Und trotz 40 Prozent weniger Kühlmittel unterschreiten die Wandtemperaturen jene des Referenzmotors deutlich. In der Folge lassen sich sowohl die Warmlaufphase nach dem Kaltstart verkürzen als auch die Antriebsleistung der Wasserpumpe senken.

Weniger Druckverlust durch weiterentwickelten Ölkreislauf

Zu weiteren Vorteilen beim Kaltstart sowie im normalen Betrieb führt der weiterentwickelte Ölkreislauf. Zu den Optimierungsmaßnahmen zählen unter anderem eine neuartige Leitungsführung – Bögen ersetzen scharfe Umlenkungen – sowie Querschnittsänderungen. Zusammen verringerte dies den Druckverlust in Zylinderkopf und Kurbelgehäuse um 22 Prozent. Ein umgekehrter Siphon verhindert das Ablaufen des Öls im Stillstand. Dadurch steht der passende Öldruck für den Ventiltrieb nach dem Motorstart schneller bereit, hohle Schottwände lassen sich für die Ölrückläufe nutzen.

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