Производственные инновации для профессионалов

Аддитивное производство в современном двигателестроении

Проект LeiMot

Современные бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей, выполненные полностью из алюминия, оптимизированы по стоимости и весу с использованием новейших традиционных технологий производства.

В последние годы соотношение веса и мощности этих двигателей стало асимптотическим. Оно приближается к 1,1 кг/кВт для трех- и четырехцилиндровых двигателей [1].

Такое поведение отражает баланс между свойствами материала, профилем нагрузки и использованием конструкции при заданных граничных условиях производства двигателя.

Это показывает, что дальнейшего существенного снижения веса при использовании традиционных методов производства ожидать не приходится. Переход производственного процесса на метод лазерного наплавления в порошковом слое (LPBF/SLM) позволяет еще больше снизить вес при использовании тех же или аналогичных материалов и профилей нагрузки.

В рамках проекта LeiMot (Leichtbau Motor) (облегченный мотор, от нем. Leicht - легкий - прим.ред.), который спонсируется Федеральным министерством экономики и технологий Германии (BMWi) под руководством FEV Europe, были разработаны головка блока цилиндров и картер двигателя для процесса LPBF.

Дизельный агрегат был выбран из-за его более высокой механической грузоподъемности (Volkswagen 2,0-l TDI, EA288 evo). Компоненты были разработаны в соответствии с концепцией замены.

Для компонентов, изготовленных с использованием аддитивного производства (далее АП), был использован порошок AlSi10Mg, который является наиболее часто используемым алюминиевым сплавом в АП. Более высокая степень свободы при проктировании конструкции для АП была использована не только для снижения веса, но и для улучшения работы двигателя.

При разработке концепции двигателя LeiMot граничные условия АП для проектирования головки блока цилиндров и картера последовательно соблюдались от концепции до производственного процесса, включая опорные конструкции, ориентацию и последующую обработку [2].

Кроме того, в качестве цели было определено использование процесса термореактивного литья под давлением. Чтобы использовать его разумно, необходимо было разработать подходящую концепцию картера. Доступным материалом является волокнистый композитный пластик (FRP) на основе фенольной смолы, армированной стекловолокном.

Концепция компонентов

Первоначально головка блока цилиндров и картер были разобраны на их функции. Таким образом, каждая функция может быть проанализирована с самого начала, а их компоновка может быть адаптирована в соответствии с заданными требованиями. Одним из основных требований концепции была перекрестная совместимость между головкой блока цилиндров LeiMot и базовым картером Volkswagen. Кроме того, необходимо было сохранить важные интерфейсы и компоненты эталонного двигателя, особенно коленчатый вал и клапанный механизм, а также компоненты газообмена.

При соответствующей методологии проектирования такие функции, как охлаждение, смазка и обмен нагрузками, могут быть выполнены из материала с толщиной стенок 2 мм и даже ниже. Стенки и перемычки решетчатых конструкций также могут быть спроектированы с толщиной значительно ниже 2 мм. По сравнению с традиционными процессами литья, это позволяет использовать стенки различной толщины в соответствии с нагрузкой, не создавая связанных с процессом недостатков в конструкции.

Головка блока цилиндров

Вначале основное внимание уделялось общей конструкции головки блока цилиндров для безопасной эксплуатации в зонах с высокими механическими нагрузками. Изгибающая нагрузка возникает в основном в результате самого процесса сгорания, в то время как весь двигатель подвергается нагрузкам на кручение.

Результатом этого анализа стало сочетание двутавровой балки (IPB) со встроенным закрытым профилем для конструкции, которую также можно найти в окончательном проекте головки блока цилиндров, Рис. 1 [3].

Новая головка блока цилиндров имеет вес 8,5 кг, что на 22% легче эталонной головки блока цилиндров.