Additive Fertigung bei modernen Verbrennungsmotoren
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Additive Fertigung bei modernen Verbrennungsmotoren
© FEV
Im Forschungsprojekt LeiMot verfolgt FEV Europe zusammen mit Partnern neue Ansätze in der Entwicklung von groß volumigen, additiv gefertigten Motorkomponenten sowie einen erweiterten Kunststoffeinsatz zur Gewichtsreduzierung und Funktionsverbesserung.
DAS LEIMOT-PROJEKT
Heutige Pkw-Otto- und -Dieselmotoren in Vollaluminium-Bauweise sind mit modernsten konventionellen Herstellverfahren kosten- und gewichtsoptimiert. Das Leistungsgewicht dieser Motoren hat in den letzten Jahren bei konventioneller Herstellung einen asymptotischen Verlauf angenommen: Für Drei- und Vierzylindermotoren liegt es bei rund 1,1 kg/kW [1]. Dieses Verhalten repräsentiert die Balance zwischen Materialeigen schaften, Belastungsprofil und Strukturausnutzung unter gegebenen Herstellungsrandbedingungen. Es zeigt, dass signifikante Gewichtsreduzierungen mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht zu erwarten sind. Der Wechsel des Herstellungsprozesses zum Laser-PowderBed-Fusion(LPBF)-Verfahren ermöglicht bei gleichen oder ähnlichen Materialien und Belastungen einen Schritt zur wei teren Gewichtsreduzierung.
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In dem vom BMWi geförderten Forschungsprojekt LeiMot (Leichtbau Motor) werden unter der Konsortialführung von FEV Europe ein Zylinderkopf und ein Kurbelgehäuse für das LPBF-Verfahren entwickelt. Aufgrund der hohen mechanischen Belastung wurde bewusst ein Dieselaggregat als Basis gewählt (Volkswagen 2.0 TDI, EA288 evo). Die zu ent wickelnden Bauteile sollen als Substitu tionskonzepte entstehen. Für die additiv gefertigten Aluminiumbauteile kommt die bei diesem Verfahren am häufigsten genutzte Aluminiumlegierung AlSi10Mg zum Einsatz. Die Gestaltungsfreiheit des Additive-Manufacturing(AM)-Designs wurde über die Gewichtsreduzierung hinaus auch zur Funktionsverbesserung des Motors eingesetzt. Bei der Entwicklung des LeiMotMotorkonzepts wurden für den Zylin derkopf und das Kurbelgehäuse die Kon struktionsrandbedingungen der additiven
Fertigung konsequent verfolgt. Das gilt für die Konzeptionierung bis zum Fertigungsprozess, einschließlich Stützung, Ausrichtung und Nachbehandlung [2]. Zusätzlich wurde der Einsatz des duroplastischen Spritzgussverfahrens als Ziel definiert. Um dieses sinnvoll einzusetzen, war die Entwicklung eines geeigneten Kurbelgehäusekon zepts notwendig. Als Material steht ein Faserverbundkunststoff (FVK) zur Verfügung, der auf glasfaserver stärktem Phenolharz basiert. KONZEPTIONIERUNG DER BAUTEILE
Zunächst wurden der Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse in die notwen digen Funktionen zerlegt. So konnten jede Funktion betrachtet und das Layout optimal auf die gegebenen Randbedingungen zugeschnitten werden. Zudem
A U TOR E N
Dipl.-Ing. Bernd Lindemann ist Bereichsleiter Diesel Powertrains der FEV Europe GmbH in Aachen.
Stefano Ghetti, M. Sc. Eng. ist Director Diesel Powertrains der FEV Europe GmbH in Aachen.
Dipl.-Ing. Ralf Bey ist Senior Projekt Manager Diesel Powertrains und Leiter des LeiMot-Projekts der FEV Europe GmbH in Aachen.
Can Kayacan,
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