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Mahle und Trumpf fertigen generativ Hochleistungskolben für Porsche Mehr Leistung durch 3D-Druck

| Redakteur: Konrad Mücke

Generativ gefertigte Kolben haben im Motor für den Sportwagen 911 GT2 RS ihre erste Belastungsprobe bestanden. Die Kolbenstruktur ist entsprechend der Belastung optimiert, ein Kühlkanal integriert. 3D-gedruckte Kolben sind zehn Prozent leichter als übliche, geschmiedete Ausführungen.

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Wirtschaftlich: Im Bauraum der Laser-Schmelz-Anlage TruPrint 3000 lassen sich fünf Kolben parallel generativ fertigen.
Wirtschaftlich: Im Bauraum der Laser-Schmelz-Anlage TruPrint 3000 lassen sich fünf Kolben parallel generativ fertigen.
(Bild: Porsche AG)

Additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) ermöglichen Konstruktionen, die mit konventionellen Verfahren nicht realisierbar sind. Die Kolben für den Automobilhersteller Porsche entstanden im Rahmen einer Kooperation zur Entwicklung eines additiven Fertigungsprozesses für hochbelastete Antriebs­bauteile. Teilgenommen haben als Zulieferer und Entwicklungspartner der Kolbenhersteller Mahle, der Maschinen­hersteller Trumpf und der Messtechnik- und Optikspezialist Zeiss.

Bionisches Design leichter und höher belastbar

Serienmässig verfügt der Motor des Sportwagens 911 GT2 RS über geschmiedete Kolben. Diese sind allerdings bereits vollauf optimiert. Verbesserungen lassen sich mit konventionellen Produktionsmethoden nicht mehr verwirklichen. Dagegen lässt sich mit additiver Fertigung unter anderem ein bionisches Design verwirklichen. Werkstoff wird nur an Positionen mit Kraftfluss eingesetzt. Für diese Topologie-Optimierung nutzten die Ingenieure eine spezielle Konstruktionsmethodik. Diese ist auf die spezifischen Bedingungen des 3D-Drucks abgestimmt. Gemeinsam mit den Kooperationspartnern Mahle und Trumpf konnten die Spezialisten beim Automobilhersteller so den Kolben um zehn Prozent leichter gestalten. Die topologischen Strukturen hinsichtlich der Qualität und der Leistungsfähigkeit konnten sie mit Messtechnik von Zeiss bestätigen. «Dabei sind wir aber immer noch auf Nummer sicher gegangen», sagt Frank Ickinger in der Antriebsvorentwicklung bei Porsche. «Unsere Simulationen zeigen, dass ein Potenzial bis zu zwanzig Prozent Gewichtseinsparung pro Kolben möglich ist.»

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Ringförmiger Kühlkanal

Zweites Ziel war die Integration eines ringförmigen Kühlkanals hinter den Kolbenringen. Dieser Kanal hat eine spezielle Querschnittsform und ist bis auf zwei Öffnungen für Ein- und Austritt des Öls wie eine Röhre geschlossen. Eine solche Struktur lässt sich nur in einem additiven Fertigungsverfahren herstellen. Dank dieser zusätzlichen Kühlung sinkt die Bauteiltemperatur am thermisch extrem belasteten Kolbenringbereich um mehr als 20 °C. Insgesamt ermöglicht diese Struktur eine optimierte Verbrennung bei höheren Drücken und Temperaturen, gleichbedeutend mit höherer Effizienz. «Ein Beispiel dafür», sagt Frank Ickinger, «dass der Verbrennungsmotor noch immer Zukunftspotenzial hat.»

Fertigungsgerecht konstruieren

Wie bei den bisherigen, geschmiedeten Kolben für den Sportwagen 911 GT2 RS vertraut Porsche auch beim Entwickeln der 3D-gedruckten Kolben auf die Kompetenz von Mahle. Bereits seit mehreren Jahren beschäftigt sich das Unternehmen mit den Möglichkeiten der additiven Fertigung. Die Experten konstruierten die auf den 3D-Druck optimierten Strukturen. In einer CAD-Software bildeten sie die in der Topologie optimierten Strukturen nach. Danach definierten sie den innovativen Kühlkanal. «Ein Paradebeispiel für Funktionsintegration», sagt Frank Ickinger. Die Konstruktionsdaten bestätigten die Spezialisten anschliessend mit einer Finite-Elemente-Simulation. So prüften sie virtuell die Strukturen auf Sicherheit gegen Versagen, auf Lebensdauer und Beständigkeit bei hohen Temperaturen. Insbesondere der zusätzliche umlaufende Kühl­kanal in Höhe der Kolbenringe erwies sich als vorteilhaft. Im thermisch höchstbelasteten Bereich unter den Auslassventilen sank die Temperatur um über 20­°C.

Um auch sinnvoll generativ fertigen zu können, müssen die Ingenieure weitere Kriterien berücksichtigen. Die Werkstücke entstehen Schicht für Schicht durch Verschmelzen. Dazu erklärt Frank Ickinger: «Sind zum Beispiel Überhänge in einem Winkel von mehr als etwa 45 Grad vorgesehen, müssen sogenannte Stützstrukturen eingebracht werden, um die Geometrie gegen Verziehen zu stabilisieren, sonst drohen Verzüge oder Auswölbungen nach oben, an denen der Beschichter zum Auftragen der Pulverschicht möglicherweise beschädigt wird und der Bauprozess abgebrochen werden muss.» Zudem gilt es, die Anzahl an Stützstrukturen zu minimieren. Diese müssen später aufwendig entfernt werden. So gibt es eine Vielzahl an Kon­struktionsrichtlinien, die bestimmen, ob sich die Bauteile generativ wirtschaftlich fertigen lassen. In mehreren Konstruktions- und Berechnungsschritten entstand schliesslich eine optimale Konstruktion, die alle Vorgaben erfüllt. Auf dieser Basis erstellten die Ingenieure ein Fertigungsmodell und die Zeichnungen für die Endbearbeitung.

Werkstoffe entwickeln

Darüber hinaus suchten die Experten beim Kolbenhersteller nach einem geeigneten Werkstoff. Aus der im Unternehmen entwickelten Aluminiumlegierung M174+ stellte man ein schweissbares Pulver für die additive Fertigung her. Um zu verifizieren, dass es sich zur generativen Fertigung eignet, also eine homogene Pulverschicht mit reproduzierbaren Pulvereigenschaften gewährleistet, prüfte man die Fliessfähigkeit, die Schüttdichte, die Korngrössenverteilung und die Feuchte. Um Poren in den Pulverkörnern zu erkennen, erstellte man metallografische Schliffe. Mit Hilfe der sogenannten Trägerheissgasextraktion erkannte man gasförmige Verunreinigungen. Zusätzlich prüften Experten des Messtechnikherstellers Zeiss die Pulver auf Kontamination, auf Korngrössenverteilung, Partikelform und Gaseinschlüsse. Dabei arbeiteten sie mit Licht-, Rasterelektronen- und Röntgenmikroskopen. Zudem analysierten die Spezialisten das Verhalten und die Struktur des Pulvers bei Mehrfachverwendung. Das Pulver erwies sich als stabil. Die Kennwerte des gedruckten Werkstoffs sind vergleichbar mit denen des Gusswerkstoffs für Kolben der Serienfertigung.

Mit Laser generativ fertigen

Den Prozess für den 3D-Druck entwickelte der Maschinenhersteller Trumpf, der die Kolben auch generativ auf Maschinen TruPrint 3000 fertigte. Dabei wird Pulver Schicht für Schicht im sogenannten Laser-Metal-Fusion-Verfahren (LMF), auch Laser Powder Bed Fusion (LPBF), verschweisst. Ein Laser schmilzt 0,02 bis 0,1 mm dünne Schichten Pulver und baut so die Kolben Schicht für Schicht. Das dauert bei etwa 1200 Schichten für einen Kolbenrohling zwölf Stunden. Gemeinsam prüften anschliessend die Kooperationspartner mit unterschiedlichen zerstörungsfreien Verfahren, zum Beispiel Computertomografie, 3D-Scanning und Mikroskopie, die Kolben. Zudem analysierten sie aufgeschnittene Kolben. Dabei bestätigte sich, dass die Qualität der gedruckten Kolben sich nicht von jener gegossener Serienkolben unterscheidet.

Im simulierten Fahrbetrieb bewährt

Zur praktischen Erprobung wurden sechs Kolben in einen Motor des Sportwagens 911-GT2-RS eingebaut. Auf dem Prüfstand absolvierte das Triebwerk einen 200 Stunden dauernden Betrieb unter härtesten Bedingungen. Simuliert fuhr der Motor 24 Stunden auf einer Hochgeschwindigkeitsstrecke. Er legte 6000 km Fahrstrecke bei 250 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit einschliesslich der Halte zum Tanken des Fahrzeugs zurück. Zusätzlich wurde er auf dem Prüfstand für 135 Stunden unter Volllast und für etwa 25 Stunden unter Schlepplast jeweils bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben. Alle im 3D-Druck gefertigten Kolben haben diese Belastungen uneingeschränkt bewältigt. Frank Ickinger fasst die ersten Erfahrungen zusammen: «Wir können mit Hilfe der optimierten, im 3D-Druck hergestellten Kolben die Motordrehzahl steigern, die Temperaturbelastung der Kolben verringern und die Verbrennung optimieren. Das Ergebnis ist mehr Leistung und höhere Effizienz.» Für den 515 kW (700 PS) leistenden Motor des Sportwagens 911 GT2 RS könnten bis zu 30 PS zusätzlich zu verwirklichen sein. - kmu - SMM

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