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Erschienen in:

01.01.2023 | Entwicklung

Methodische Kühlungsentwicklung für additiv gefertigte Zylinderköpfe

verfasst von: Kai Kuhlbach, Johannes Willkomm, Carsten Weber, Prof. Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum

Erschienen in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift | Ausgabe 1/2023

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Aufgrund der erhöhten Freiheit und Flexibilität in der Bauteilgestaltung bieten additive Fertigungsverfahren ein hohes Potenzial zur Optimierung von Kühlsystemen. Ford und die RWTH Aachen University haben eine Methode zur Auslegung eines hocheffizienten Kühlkonzepts unter Berücksichtigung der additiven Fertigung ausgearbeitet und diese für eine Zylinderkopfentwicklung angewendet. Der Zylinderkopf wurde anschließend gefertigt und auf dem Motorprüfstand getestet.
Die Weiterentwicklung der Kühlung und die Anbindung thermisch und mechanisch hochbelasteter Komponenten beiben eine Schlüsselaufgabe bei allen modernen Antriebsystemen, um Haltbarkeit, Funktionalität, Bauraumausnutzung und Kosten zu verbessern. Downsizing beziehungsweise steigende Leistungsdichte führen zu weiter differenzierten Systemen und erfordern eine thermische Steuerung kritischer Bereiche. Neben den maximalen Temperaturen müssen die Grenzwerte für Materialspannungen und thermische Ermüdung eingehalten werden. Hocheffizient ausgelegte Kühlungssysteme haben oft komplexe interne Geometrien und Strukturen. Hier bieten additive Fertigungsverfahren mit vergleichsweise geringem Aufwand aufgrund der werkzeuglosen schichtweisen Bauteilfertigung ein hohes Optimierungspotenzial. Für die Auslegung eines möglichst idealen Kühlsystems für ein Bauteil mit sehr hoher thermischer und mechanischer Last wurde der Zylinderkopf eines modernen, aufgeladenen 1,5-l-Dreizylindermotors zugrunde gelegt und vollständig mittels additiver Fertigung hergestellt. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben Ford und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University eine Methode zur Auslegung eines hocheffizienten Kühlkonzepts unter Berücksichtigung der additiven Fertigung ausgearbeitet und die Eigenschaften verifiziert.

Projektziele

Ein zentrales Element des Projekts bestand darin, eine nahezu ideale Kühlung im Brennraum des Zylinderkopfs auch bei höchsten Lasten zu gewährleisten und gleichzeitig die Entstehung kritischer Temperaturen oberhalb von 265 °C zu verhindern, um die Materialermüdung zu verringern und gleichzeitig Haltbarkeit und Verbrennungseffizienz zu steigern. Ein weiteres, wesentliches Ziel war es, die Ergebnisse der Simulation und der Materialprüfungen für den vollständig additiv gefertigten Zylinderkopf im Vergleich zum konventionell gegossenen Zylinderkopf mittels Prüfstandtests im Betrieb zu verifizieren.
Die für die Berechnungen benötigten Materialeigenschaftswerte sowie Wärmebehandlungsparameter wurden mit einem statistischen Versuchsplan ermittelt. Dabei kamen unter anderem Zugprüfungen mit additiv hergestellten Probestäben zur Anwendung. Die gemessenen, temperaturabhängigen Materialkennlinien dienten als Grundlage für eine Komponentenauslegung auf Basis von strukturellen Berechnungen der Festigkeit (FEM, Finite-Elemente-Methode) sowie thermischen Materialermüdungssimulationen (TMF, Thermo-mechanical Fatigue). Detaillierte Informationen zur Materialentwicklung und Konstruktionsintegration sind in [1] publiziert.

Werkstoff und Wärmebehandlung

Der Zylinderkopf wurde mit dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF), einem additiven Fertigungsverfahren für Metalle, hergestellt. Als Zylinderkopflegierung wurde AlSi10Mg ausgewählt, da dieses Material bereits heute zu den am häufigsten verwendeten LPBF-Aluminiumlegierungen zählt und die Eigenschaften denen der konventionell sandgegossenen Zylinderkopflegierung nahekommen [2]. Um eine möglichst genaue Vorhersage der Materialeigenschaften zu erhalten, erfolgte die Herstellung der Probekörper für die Materialcharakterisierung auf derselben LPBF-Anlage wie die des Zylinderkopfs. Zur Berücksichtigung anisotroper Materialeigenschaften, die LPBF-prozesstypisch entsprechend der Aufbaurichtung auftreten, wurde die Wärmeleitfähigkeit jeweils horizontal und vertikal zur Aufbaurichtung gemessen sowie die spezifische Wärmekapazität untersucht. Für die Zugfestigkeitsprüfung wurde ein Versuchsplan aufgestellt, der vier Faktoren berücksichtigt, Bild 1. Zugfestigkeitsprüfungen bei Raumtemperatur sowie bei 150, 200 und 250 °C dienten der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften. Es wurden zwei verschiedene Wärmebehandlungen verglichen, das vom Pulverlieferanten empfohlene Spannungsarmglühen und die Wärmebehandlung T6, die auch für das Seriengussmaterial verwendet wird. Darüber hinaus wurden verschiedene Positionen auf der Bauplattform untersucht, da es bei LPBF-Systemen zu Abweichungen in der Porosität der Bauteile aufgrund einer inhomogenen Schutzgasströmung kommen kann [3]. Damit umfasste die Materialprüfung 40 verschiedene Zugproben. Mit dem Versuchsplan konnte eine Fertigungsroutine aus Herstellungsparametern sowie Nachbehandlungsschritten (Spannungsarmglühen) abgeleitet werden, bei der die Materialeigenschaften mit additiver Fertigung im Vergleich mit konventionell gegossenen Materialien verbessert sind.

Konstruktion

Moderne Serienzylinderköpfe müssen sehr hohen Verbrennungsmittel- und absoluten Spitzendrücken sowie extremen Abgastemperaturen dauerhaft standhalten. Zudem dürfen die materialabhängigen Maximaltemperaturen in kritischen Bauteil- und Lastbereichen nicht überschritten werden, ansonsten führt die zyklische, thermische Ermüdung zur Rissbildung. Typischerweise befinden sich die temperaturkritischen Bereiche im Brennraumdach zwischen den Abgasventilen und um die Zündkerzenspitze. Mit dem umgesetzten Kühlkonzept, bestehend aus additiv hergestellten Rippenstrukturen im Wassermantel bei gleichzeitig verringerter Brennraumdachstärke, ließen sich die betriebsbedingten Temperaturen im Wandbereich signifikant verringern, Bild 2.
Mithilfe einer rechnerischen Variationsstudie an einem vereinfachten Einzylindermodell konnte zunächst gezeigt werden, dass ideale Kühlstrukturen für diese Applikation nicht fachwerkähnliche oder runde Pfeilerstrukturen haben sollten, sondern bevorzugt eine Rippenstruktur, um die Druckverluste möglichst gering zu halten. Die Studie zeigte außerdem, dass die Rippenstrukturen eine bestimmte Minimaldicke benötigen, um die im Betrieb auftretenden hohen Wärmeströme zu transportieren und die Brennraumdachsteifigkeit zu unterstützen, Bild 3. Das günstigste Verhältnis zwischen Rippendicke und Breite des Kühlmitteldurchgangs wurde simulativ durch eine Gegenüberstellung der kritischen Wandtemperaturabsenkung im Vergleich zum Kühlmitteldruckverlust bestimmt, Bild 3 (rechts).
Des Weiteren konnten die im Guss innerhalb der Konstruktion geforderten Mindestwandstärken durch die additive Fertigung deutlich reduziert und der Wassermantel konturnah ausgeführt werden. Das führt zu niedrigeren Wandtemperaturen auch im typischerweise heißesten Bereich um die Zündkerze.

Simulationsergebnisse

Nach Abschluss der Variationsstudie auf Basis des Einzylindermodells wurde das finale Zylinderkopf-Kühlkonzept auf alle Brennraumbereiche konstruktiv appliziert und im Weiteren die Haltbarkeit des Zylinderkopfs vollständig rechnerisch nachgewiesen. Die berechnete Temperaturverbesserung in den kritischen Bereichen des Brennraumdachs hat bei einer Motorleistung von 170 kW zu einer durchschnittlichen Reduktion von 26 °C geführt. Die Temperaturabsenkung erfolgt dabei gleichmäßig, auch in den kritischen Bereichen der Zündkerzenspitze und zwischen den Abgasventilen, Bild 4. Alle berechneten Temperaturen blieben deutlich unter dem Projektziel von 265 °C. Neben dem Effekt der Erhöhung der Materialzuverlässigkeit und Haltbarkeit trägt eine verbesserte Brennraumdachkühlung zu höherer Leistung und Verbrennungsstabilität beziehungsweise verringertem Risiko von Frühzündungen bei.
Nach Abschluss der Konstruktionsphase und Berechnung der Materialtemperaturen mittels Conjugate-Heat-Transfer (CHT) wurden die zuvor gemessenen Kennlinien aus den Zugversuchen in die Software für die Haltbarkeitsberechnung, die Festigkeitsanalyse FEM und zyklische beziehungsweise thermische Materialermüdung TMF eingearbeitet. Wie die Berechnungsergebnisse zu Dauerfestigkeit, thermischer Mindestzyklenzahl und Sicherheitsfaktoren der Brennraumdruckzyklen zeigten, wurden die aus dem Projektziel abgeleiteten Anforderungen an die Komponentenhaltbarkeit bereits ohne zusätzliche Iterationsstufen erreicht, Bild 5.
Auf Basis der vielversprechenden simulativen und experimentellen Ergebnisse ist der Fertigungsprozess im eigenen Maschinenpark der RWTH Aachen umgesetzt und von den Spezialisten für die additive Fertigung vor Ort begleitet worden.

Additive Fertigung

Beim LPBF müssen überhängende Oberflächen, die unterhalb eines kritischen Aufbauwinkels zur Substratplatte ausgerichtet sind, abgestützt werden. Diese Stützstrukturen werden in der Regel nach dem Prozess mechanisch entfernt [4]. Die Zugänglichkeit für die Entfernung möglicher Stützstrukturen im Inneren des Zylinderkopfs, zum Beispiel im Wassermantel, ist jedoch nicht gegeben. Um Stützstrukturen in diesem Bereich zu vermeiden, wurde der gesamte Zylinderkopf in einem Winkel von 45° zur Bauplattform aufgebaut. Die Fertigung beginnt im ersten Prozessschritt mit einer Datenaufbereitung, die die Erzeugung der oben genannten Stützstrukturen, die Unterteilung in die aufzubauenden Schichten, das sogenannte Slicing, und die Erzeugung der Belichtungsvektoren umfasst. Der Zylinderkopf wurde als monolithisches Bauteil mit einer Schichtdicke von 100 µm auf der LPBF-Anlage X-Line von Concept Laser gefertigt. Nach der additiven Fertigung wurden Funktionsflächen und Gewinde, beispielsweise Armaturen und Dichtflächen, mit konventionellen Nachbearbeitungsverfahren (Fräsen, Bohren) nachbearbeitet. Der LPBF-gefertigte und nachbearbeitete Zylinderkopf ist in Bild 6 dargestellt.

Messungen und Prüfstandtests

Der additiv gefertigte und klassisch bearbeitete Zylinderkopf wurde anschließend in einen Grundmotor, einen 1,5-l-Dreizylinder-Ottomotor von Ford, eingebaut. Dieser war schon zuvor mit einem baugleichen, gegossenen Zylinderkopf ohne Kühlrippen auf dem Prüfstand betrieben worden. Für den direkten Vergleich wurden der gegossene und der gedruckte Zylinderkopf mit Temperaturmessstellen in den kritischen Bereichen im Brennraumdach sowie mit Verbrennungsdrucksensoren ausgestattet.
Im Testbetrieb lieferten beide Motoraufbauten - mit gedrucktem und mit gegossenem Zylinderkopf - für mehrere Betriebspunkte die geforderten Ziel-Drehmomente und -Leistungen ohne Funktionsfehler, Materialdefekte oder Leckage. Der Vergleich der gemessenen Temperaturen zwischen dem gegossenen Zylinderkopf ohne Kühlrippen im Wassermantel und dem additiv gefertigten Zylinderkopf mit Rippenkühlstrukur zeigt, dass die Temperatur bei gleicher Leistung in den kritischen Bereichen, beispielsweise in der Auslassventilbrücke, beim gedruckten Zylinderkopf um durchschnittlich 35 °C niedriger ist. Zudem zeigte sich, dass die tatsächlich gemessene Temperatur geringer ist als die auf Basis des Simulationsmodells erwartete, Bild 7. Durch die verbesserte Kühlung und die Materialtemperaturabsenkung konnte die Klopfneigung reduziert und der Zündwinkel der Verbrennung im kritischen Lastbereich optimiert werden. Dieser Effekt auf die Verbrennung ließ sich mit einer 25 °C kälteren Kühlmitteleintrittstemperatur bei den Prüfstandtests noch verstärken. Im Nachgang wurde dann das Simulationsmodell noch einmal mit den gemessenen höheren Abkühlungswerten kalibriert. Eine erneute Berechnung für den rechnerischen Volllastbetrieb von 170 kW prognostizierte maximale Wandtemperaturen von unter 250 °C, die damit erneut deutlich unterhalb des anvisierten Projektziels von 265 °C in allen kritischen Bereichen lagen.

Schlussfolgerungen

Ford und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University haben gemeinsam ein Forschungsprojekt im Bereich additiver Fertigung für Metalle durchgeführt. Ein vollständig additiv gefertigter und später im Betrieb getesteter Aluminiumzylinderkopf in einem 1,5-l-Dreizylinder-GTDI-Motor von Ford [5, 6] hat auch im direkten Vergleich mit einem klassisch gegossenen Zylinderkopf gezeigt, dass das additiv aufgebaute Bauteil den hohen thermischen und mechanischen Lasten sowohl rechnerisch als auch experimentell standhält. Ein weiteres Projektziel, durch die additive Fertigung eine möglichst ideale Kühlung darzustellen, wurde sehr erfolgreich umgesetzt, indem alle thermisch kritischen Bereiche im Brennraumdach eliminiert werden konnten. Ebenso wurde eine simulationsbasierte Methode entwickelt, die die Zielkonflikte der Konstruktion bezüglich Wärmeleitung, Temperaturkontrolle, Druckverlust und Haltbarkeit bewertet. Die gesamte Prüfstandstestreihe konnte erfolgreich durchgeführt werden, ohne dass Fehlfunktion, Beschädigung oder Leckage an den Zylinderköpfen auftraten.
Komplexe Kühlstrukturen in Metallteilen können im direkten additiven Druck oder alternativ durch indirekte Verfahren wie den 3-D-Sandkerndruck realisiert werden. So lassen sich gegebenenfalls auch nur einzelne Sandkerne mit komplexeren Strukturen, etwa lokale Teile des Wassermantels, additiv fertigen und anschließend im Gussaufbau mit klassischen Sandkernen gemeinsam vergießen. Das ermöglicht potenziell die wirtschaftlichere Anwendung auch für die Serie. Denn hohe Anforderungen an die Kühlung und die thermische Steuerung kritischer Bereiche betreffen verschiedene zukünftige Bereiche der Antriebstechnik, wie den Wasserstoffverbrennungsmotor, die Brennstoffzelle oder bei Elektrofahrzeugen die Kühlung der Leistungselektronik und der Hochvoltbatterie, gleichermaßen.

Literaturhinweise

[1]
Willkomm, J. et al.: Design and manufacturing of a cylinder head by laser powder bed fusion. Online: https://​iopscience.​iop.​org/​article/​10.​1088/​1757-899X/​1097/​1/​012021, aufgerufen: 5. Oktober 2022
 
[2]
Hyer, H. et al.: Understanding the laser powder bed fusion of AlSi10Mg alloy. In: Metallography, Microstructure, and Analysis 9/2020, S. 484-502
 
[3]
Reijonen, J. et al.: On the effect of shielding gas flow on porosity and melt pool geometry in laser powder bed fusion additive manufacturing. In: Additive Manufacturing 32/2020, S. 101030 ff.
 
[4]
VDI 3405 Blatt 3:2015:12: Additive Fertigungsverfahren - Konstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mit Laser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen
 
[5]
Weber, C. et al.: EcoBoost 500: Schritte zur maximalen Effizienz eines Ottomotors. Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2020
 
[6]
Weber, C. et al.: Downsizing und hohe Leistung mit zukünftigen Kraftstoffen und Emissionslimits. In: MTZ 82 (2021), Nr. 5-6, S. 72-77
 

Danke

Die hier dargestellten Ergebnisse sind das Resultat einer Kooperation zwischen der Ford Motor Company und des Lehrstuhls für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University. Die Autoren danken den Kollegen Johannes Mehring, Bernd Steiner, Florian Huth, Albert Breuer, K. P. Heinig und Richard Fritsche, alle Ford Motor Company, sowie Daniel Merget und Merit Wagner, beide DAP, für die technische Unterstützung innerhalb des Projekts. Vielen Dank an Mario Irrmischer für die Erstellung der Fotografien.

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Metadaten
Titel
Methodische Kühlungsentwicklung für additiv gefertigte Zylinderköpfe
verfasst von
Kai Kuhlbach
Johannes Willkomm
Carsten Weber
Prof. Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum
Publikationsdatum
01.01.2023
Verlag
Springer Fachmedien Wiesbaden
Erschienen in
MTZ - Motortechnische Zeitschrift / Ausgabe 1/2023
Print ISSN: 0024-8525
Elektronische ISSN: 2192-8843
DOI
https://doi.org/10.1007/s35146-022-1415-4

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