เครื่องยนต์ 3D-printed น้ำหนักเบากว่าเดิม 21%

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

โครงการวิจัยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ แบบ SLM – Selective Laser Melting หรือ การใช้เลเซอร์พลังสูงได้ออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีน้ำหนักเบากว่าเดิมได้ถึง 21 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้การออกแบบใหม่ยังทำให้มีการระบายความร้อนดีขึ้นและระบบหมุนเวียนน้ำมันเชื้อเพลิง หรือ Oil circular system ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย

ในโครงการวิจัย “Leichtbau Motor” (เครื่องยนต์น้ำหนักเบา) หรือในชื่อสั้น ๆ ว่า “Leimot” โดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมได้ร่วมกันผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายในโดยใช้กระบวนการหลอมด้วยเลเซอร์ (Laser Melting Process) ซึ่งทำให้สามารถลดน้ำหนักเครื่องยนต์ได้ถึงเกือบ 21 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ยังเพิ่มประสิทธิภาพของระบบหล่อเย็นและวงจรน้ำมันด้วย

Components of the combustion engine
Components of the combustion engine were manufactured by means of laser melting.

โฟกัสอยู่ที่ฝาครอบเสื้อสูบ หรือกระบอกสูบ (cylinder head) และ ห้องข้อเหวี่ยงหรือห้องบรรจุน้ำมันหล่อลื่น (crankcase) ของเครื่องยนต์ดีเซลขนาดสองลิตรที่ทันสมัย แทนที่จะผลิตโดยการหล่ออลูมิเนียมอย่างที่เคยเป็นมา ส่วนประกอบทั้งสองชิ้นนี้จะถูกผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการหลอมด้วยเลเซอร์พลังสูง หรือ SLM  โดยใช้ผงอลูมิเนียมอัลลอย AlSi10Mg เป็นวัสดุตั้งต้น ชุดประกอบที่ผลิตด้วยกระบวนการใหม่เหล่านี้มีน้ำหนักเบากว่าเดิมประมาณ 21 เปอร์เซ็นต์

เครื่องยนต์ 3D
The focus was on the cylinder head and crankcase of a modern two-liter large-bore diesel engine. Instead of using aluminum castings as in the past, the two components were manufactured using a selective laser melting process. (Picture: FEV)



โครงการความร่วมมือ LEIMOT

จุดมุ่งหมายของโครงการร่วมคือ การพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เบาขึ้นพร้อมประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้น ทั้งพฤติกรรมการทำงาน (ของเครื่องยนต์) การจัดการความร้อน และเสียงรบกวนที่ลดลง โดยโครงการนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงเศรษฐกิจและพลังงานแห่งสหพันธ์เยอรมนี โดย TÜV Rheinland ทำหน้าที่เป็นผู้สนับสนุนโครงการ

3D Printed_เครื่องยนต์สันดาปภายใน
The aluminum alloy AlSi10Mg was used as the powder feedstock. These additively manufactured assemblies are about 21 percent lighter.(Picture: FEV)

 


พันธมิตรในโครงการ:

– FEV Europe GmbH: ผู้นำของกลุ่มการพัฒนาและแนวคิดเกี่ยวกับแนวคิดเครื่องยนต์โดยรวม

– RWTH Aachen University – คณะเครื่องยนต์สันดาปภายใน (VKA): การออกแบบ การจำลองและการทดสอบ

– Fraunhofer ICT: การออกแบบ การจำลอง (simulation) การควบคุมกระบวนการสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่ซับซ้อนจากโพลีเมอร์เสริมไฟเบอร์

– Fraunhofer ILT: การควบคุมกระบวนการ SLM ของส่วนประกอบที่ซับซ้อนที่ทำจากอลูมิเนียม

– Volkswagen AG: การจัดเตรียมเครื่องยนต์พื้นฐานในฮาร์ดแวร์ / CAD การทดสอบกลศาสตร์เปรียบเทียบ

– Inpeca GmbH: การผลิตส่วนประกอบที่ซับซ้อนโดยใช้กระบวนการ  SLM

– WFS: การผลิตแม่พิมพ์ฉีด


เครื่องยนต์ 3D printed
For weight and rigidity reasons, the short skirt design with an aluminum substructure (bedplate) was chosen for the crankcase. The replacement of the steel bearing caps with the bedplate was made possible by the low-friction main bearing diameters of the basic diesel engine. (Picture: FEV)

ฝาครอบเสื้อสูบพิมพ์ 3 มิติช่วยประหยัดน้ำหนัก 2.3 กก

ฝาครอบเสื้อสูบที่ออกแบบใหม่ช่วยประหยัดน้ำหนักได้ 2.3 กก. หรือ 22 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนเดิม เพื่อให้งานนี้สำเร็จจำเป็นต้องเสริมความแข็งแรงโดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีความเค้นเชิงกลสูง เนื่องจากการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ต้องมีการต้านทานต่อแรงดัด (Bending Load) ในขณะที่แรงบิดเกิดขึ้นในโครงสร้างเครื่องยนต์โดยรวม อัตราส่วนที่ดีที่สุดของการประหยัดน้ำหนักและความแข็งแกร่งก็คือการทำงานรวมกันของคานคู่ T (IPB) และลิ้นชักแบบปิดในตัว

ใส่ส่วนของท่อระบายอากาศสามารถพิมพ์ 3 มิติได้โดยตรงด้วยฉนวนกันความร้อนที่ใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือ AM  เป็นผลให้ระบบหลังการบำบัดไอเสีย (exhaust gas posttreatment system) ร้อนเร็วขึ้น อุณหภูมิเข้าสู่เทอร์ไบน์ (turbine inlet temperature – อุณหภูมิของแก๊สจะสูงสุดในห้องเผาไหม้ก่อนที่จะไปสู่เทอร์ไบน์) และประสิทธิภาพของเทอร์โบชาร์จเจอร์ก็ได้เพิ่มขึ้นด้วย

เครื่องยนต์พิมพ์สามมิติ
The new cross-flow cooling system makes it possible to reduce the temperatures of the cylinders in a targeted manner and at the same time reduce the amount of water required.(Picture: FEV)

ห้องข้อเหวี่ยงประหยัดน้ำหนักได้ 5.1 กก

ด้วยเหตุผลเรื่องน้ำหนักและความแข็ง ห้องข้อเหวี่ยงได้รับการออกแบบให้เป็นชอร์ทสเกิร์ตพร้อมแผ่นรองอลูมิเนียม (aluminum bedplate) ทั้งนี้ การแทนที่ฝาครอบลูกปืนเหล็ก (ตามแบบเดิม) ด้วยแผ่นรองอลูมิเนียมทำได้ด้วยการลดแรงเสียดทานไดมิเตอร์ลูกปืนหลักของเครื่องยนต์ดีเซล

ผลลัพท์ห้องข้อเหวี่ยงที่ได้รับออกแบบใหม่รวมกับแผ่นรองอลูมิเนียมทำให้น้ำหนักลดลง 5.1 กก. เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนแบบเดิม

ผนังกั้นของห้องข้อเหวี่ยงเป็นโครงสร้างรับน้ำหนักแนวนอนแบบเปิดซึ่งจะถูกทำให้แข็งในจุดที่เหมาะสมด้วยวัสดุคอมโพสิตแบบไขว้ เสริมแรงเพิ่มเติมด้วยท่อเชื่อมต่อน้ำหนักเบาสองท่อในบริเวณเพลาบาลานเซอร์ จากการวิเคราะห์เชิงโทโพโลยี โซนโหลดต่ำได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยโครงสร้างตาข่ายและช่องต่างๆ

ส่วนฝาด้านข้างของห้องข้อเหวี่ยงทำจากเรซินฟีนอลิกเสริมใยแก้วและมีน้ำหนักเบากว่าประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์

 


ระบบระบายความร้อนใหม่พร้อม individual cooling lines ในกระบอกลูกสูบ

ระบบระบายความร้อนแบบ cross-flow ใหม่ทำให้สามารถลดอุณหภูมิกระบอกสูบได้ตามเป้าที่วางไว้ และยังลดปริมาณน้ำตามได้ตามที่ต้องการด้วย ความแตกต่างของการออกแบบหลัก ๆ ประการหนึ่งก็คือการใช้ individual cooling lines ในกระบอกลูกสูบเพื่อแทนที่เสื้อสูบหม้อน้ำรถยนต์แบบ large-volume ซึ่งจะช่วยลดอุณหภูมิในห้องเผาไหม้ได้ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ และแม้จะใช้น้ำยาหล่อเย็นน้อยลงถึง 40 เปอร์เซ็นต์ แต่อุณหภูมิของผนังก็ต่ำกว่าเครื่องยนต์มาก เป็นผลให้ระยะการอุ่นเครื่องหลังการสตาร์ทขณะเครื่องยนต์เย็น หรือ Cold Start สั้นลงได้และทำให้แรงขับเคลื่อนของปั๊มน้ำลดลง


อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/3d-printed-engine-is-20-percent-lighter-a-998651/

บทความที่เกี่ยวข้อง: 

Guhring UK ใช้เครื่องพิมพ์โลหะ 3D พิมพ์ดอกกัดเครื่องมิลลิ่ง

แม่พิมพ์ที่ผลิตด้วยเครื่องพิมพ์โลหะ 3D

การหล่อแบบดั้งเดิมยังสามารถแข่งขันกับระบบการพิมพ์แบบ 3D ได้

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *