采用3D打印集成制造汽车发动机部件，为现代成熟产品减重21%，提升动力总成效率

对于汽缸盖而言，工程师们需要对某些受到较高机械应力的区域进行加固，因为燃烧过程主要产生弯曲载荷，而整个发动机则要承受扭转载荷。减重与刚度的最佳比例是工字梁和集成封闭控制台的组合。最终，采用选择性激光熔融3D打印技术制造的结构优化AlSi10Mg汽缸盖重量减轻了2.3公斤，比原来的部件减重22%。

LeiMot气缸盖结构设计方案

带有晶格结构的排气道

3D打印技术的设计自由度有利于研究人员直接将各种结构集成到生产过程中。研究人员有针对性地对具有气隙和较少导热横截面的绝缘晶格元件进行了设计，从而优化了排气道的隔热效果，并可减少进入气缸盖冷却液的排气热量。在额定功率条件下，该隔热系统可使流入气缸盖的热流量减少5％。这可以缩短排气后处理系统的预热时间，并提高涡轮入口温度。

重塑曲轴箱——材料和结构要匹配性能

曲轴箱同样采用AlSi10Mg进行3D打印制造。考虑到曲轴箱的重量和刚度，决定采用铝制底座的短裙设计。通过减小轴承座的主轴承摩擦直径，可以用铝板底座替换钢制轴承盖。经过重新设计的曲轴箱（包括底座），与原始组件相比，重量减轻了5.1公斤。研究人员通过采用拓扑方法，对组件的主要流动路径进行了优化分析，并为隔板外部等低应力区域设计出了空腔和晶格结构。

对于接近极限的轻型设计方案而言，研究人员在设计过程中对材料特性进行了深入了解。由于该款材料有着特殊的微观结构，通过3D打印技术生产的部件的机械性能与通过传统铸造工艺制成的部件的机械性能之间，存在着显著差异。因此，研究人员通过样本研究了3D打印铝合金在不同温度下的多项机械性能，并将结果用于计算。

LeiMot曲轴箱

LeiMot水套

为进一步改善曲轴箱的冷却性能并使气缸温度实现均匀分布，研究人员在缸套间采用了宽2ｍｍ、高3ｍｍ的椭圆形冷却通道，以此对内孔进行冷却。此外，水套内部为经过充分优化的晶格结构。该结构扩大了传热面积，改善了冷却液流动过程，并提高了气缸刚度。改善后的缸套冷却系统可使缸套变形更为均匀，并能相应改善摩擦和漏气现象。

除此之外，通过采用3D打印技术，研究人员设计出了无明显偏转现象的新型油道方案。气缸盖和曲轴箱中的油道（直径范围为3-8mm）可实现直接打印。弯曲的通道和平缓变化的横截面会使气缸盖和曲轴箱内部管道系统的压力损失降低约22％。

END

归功于增材制造方法，该项目开发的概念发动机最终将配备最少数量的组件，通过极少的组件和高功能集成来最小化材料使用，最终基准柴油动力乘用车的主要部件减轻了约21％的重量，同时也提高了动力总成效率、运行性能、热管理能力，并且改善汽车噪声、振动和舒适性。

LeiMot研究项目有力证明了新制造工艺的设计可行性。此外，该项目还有助于研究人员探索用于内燃机开发的新方法。2021年，FEV公司将制造出5个LeiMot产品原型，并通过机械和热力学试验对其进行检验。

在中短期内，大批量通过3D打印技术生产的组件依然很难与大众市场的传统制造工艺进行竞争。在飞机部件制造等小批量生产过程中，3D打印技术已成功应用于小型部件中。未来，研究人员还可以采用混合解决方案，将3D打印技术与传统制造工艺结合在一起，从而进一步提升制造品质。