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Starke Kolben für Porsche aus dem 3D-Drucker

Starke Kolben für Porsche aus dem 3D-Drucker

MAHLE zeigt gemeinsam mit Porsche und dem Maschinenhersteller Trumpf, was beim Thema 3D-Druck heute schon möglich ist: Im LMF-Verfahren (Laser Metal Fusion) erstellte hochleistungsfähige Kolben können einen 700-PS-Motor noch leistungsstärker machen.

Gemeinsame Pionierarbeit

Ein im 3D-Druckverfahren hergestellter Kolben im bionischen Design für den Porsche 911 GT2 RS

Wer sich technisch auf dem Laufenden hält, kommt seit einiger Zeit um das Thema 3D-Druck nicht herum. Die Technologie wird in Zukunft auch in der Automobilbranche maßgebend sein. Wobei: „In Zukunft“ ist hier nicht korrekt. MAHLE hat gemeinsam mit Porsche und dem Maschinenhersteller Trumpf heute schon stark vorgelegt:

Gemeinsam haben die drei Unternehmen die weltweit ersten Hochleistungskolben aus Aluminium im 3D-Druckverfahren hergestellt. Erprobt wurden diese im Porsche 911 GT2 RS.

Leistungsfähiger und effizienter

Die 3D-Druckmethode erlaubt Kolben-Konstruktionen, die mit dem Guss- oder Schmiedeverfahren nicht möglich gewesen wären. Die Struktur des Kolbens ist nun etwa bionisch optimiert und weist nur dort Material auf wo Belastungen auftreten –damit ist er leichter als konventionelle Kolben, weil Material eingespart werden kann. Gleichzeitig konnte ein Kühlkanal integriert werden, der mit bisherigen Methoden nicht umsetzbar gewesen wäre. Die Temperatur in besonders belasteten Bereichen des Kolbens ist damit deutlich geringer.
Für die Motorleistung im Porsche 911 GT2 RS bedeutet das: Die Drehzahl kann kräftig nach oben geschraubt und die Verbrennung optimiert werden. Für den ohnehin schon 700 PS starken Motor ist damit eine Leistungssteigerung um bis zu 30 PS denkbar.

3D-Druck – so funktioniert´s

Beim 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, wird üblicherweise Material schichtweise aufgetragen und mit einem Laser aufgeschmolzen, wodurch dreidimensionale Objekte entstehen. Die vorgestellten Motorkolben wurden dabei im sogenannten LMF-Verfahren gedruckt. Dabei wird mithilfe eines Laserstrahls metallisches Pulver Schicht für Schicht zu einem festen Metallbauteil verschmolzen. Dafür haben die Ingenieure von MAHLE aus einer bewährten Aluminiumlegierung für den Kolbenguss ein druckfähiges Pulver entwickelt, an das es zahlreiche Vorgaben hinsichtlich Reinheit und Beschaffenheit gab. Die Druckergebnisse wurden schließlich von den Messtechnikspezialisten der Firma Zeiss beispielsweise mithilfe von Rasterelektronenmikroskopen und Röntgen-Computertomographen genauestens untersucht.

Mehr Möglichkeiten – bei geringerem Gewicht

Der zusätzlich integrierte Kühlkanal senkt die Temperatur in den besonders belasteten Bereichen des Kolbens

3D-Druck ermöglicht sogenanntes bionisches Design. Dabei setzt man – anders als etwa beim gegossenen Objekt – Material nur dort ein, wo es auch wirklich gebraucht wird. Das spart einerseits Gewicht und erhöht andererseits die Effizienz. So ist der neue Kolben zehn Prozent leichter als das geschmiedete Pendant, welches zurzeit im 911 GT2 RS im Einsatz ist. Simulationen zeigen: Theoretisch wären sogar bis zu 20 Prozent Gewichtsersparnis drin.

Für die Ingenieure von MAHLE hat die 3D-Druckmethode allerdings auch noch einen anderen Vorteil: Bei der Konstruktion gab es für sie weniger fertigungsbedingte Einschränkungen, was das Design angeht. Ein Beispiel ist der ringförmige Kühlkanal, der im 3D-gedruckten Kolben an einer Stelle sitzt, an der er mit konventionellen Verfahren nicht eingebracht werden kann. Dadurch wird im Motor an der entsprechenden Stelle eine Temperatursenkung um mehr als 20 Kelvin erreicht.

Große Vorteile – große Herausforderungen

Schichtarbeit: In rund 1.200 Lagen verschweißt ein Laser die pulverisierte MAHLE-Kolbenlegierung zu einem Rohling ©Trumpf

Der 3D-Druck hat einen gewaltigen Vorteil: Man muss nicht erst Werkzeuge erstellen, in denen die Kolben gegossen werden. So kann man schnell verschiedene Designvarianten drucken und testen. Prototypen entstehen also deutlich schneller – und günstiger.

Heißt das, dass MAHLE bald alle Kolben drucken lässt? Nein. Denn die Kosten für einen gedruckten Kolben sind im Vergleich zu konventionell gefertigten Kolben noch immer deutlich höher. Die additive Fertigung lohnt sich zurzeit also vor allem für die Erstellung von Prototypen und für die Kleinserienproduktion. Für größere Serienproduktionen bleiben Guss- und Schmiedeverfahren noch die erste Wahl.

Mehr Details zum 3D-gedruckten Kolben kannst du dir in unserem Video anschauen:

Gemeinsam ans Ziel

Möglich war der Technologiesprung, weil drei starke Partner eng zusammengearbeitet haben: Sportwagenhersteller Porsche, MAHLE als Entwicklungspartner beim Thema Kolben und Trumpf als Vorreiter beim 3D-Druck. Das Leuchtturmprojekt setzt zwar beim Sportwagen an, zeigt aber letztlich vor allem eines: Beim Ausreizen der Möglichkeiten von Verbrennungsmotoren sind wir noch nicht am Ende angelangt. Effizienzsprünge sind hier – dank des 3D-Drucks – noch möglich. Das ist nicht nur gut für die Motorleistung, sondern letztlich auch für die Umwelt.

Frank Ickinger, Projektleiter bei Porsche, sagt: „Durch die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten konnten wir ein absolutes Premiumprodukt, den Porsche 911 GT2 RS, noch weiter verbessern. Technologisch schlagen wir damit ein neues Kapitel mit ganz neuen Möglichkeiten in Konstruktion und Fertigung auf.“

Eine Technologie für die Zukunft

MAHLE wird die Potenziale neuer Fertigungsverfahren wie des 3D-Druck für weitere Projekte erschließen und seine Kompetenz in diesem Bereich gezielt ausbauen. Gerade im Bereich neuer Technologien, beispielsweise bei der Elektromobilität, sind verkürzte Entwicklungs- und Produktionszeiten ein großer Vorteil, wenn es um komplexe Bauteile rund um die Kühlung und Klimatisierung, Motor- oder Getriebegehäuse, Batteriesysteme von E-Fahrzeugen geht. Weitere Beispiele sind optimierte Bauteile in der Motorperipherie, wie Luftpfade, Filtergehäuse oder Ölmanagementkomponenten. Darüber hinaus gibt es Bedarf bei der Entwicklung von Kleinserien oder für die Belieferung des Aftermarkets mit bereits vergriffenen Bauteilen für historische Fahrzeuge. Auch Rapid Prototyping, der schnelle Aufbau von Versuchsbauteilen, und Reverse Engineering, also der Nachbau von Komponenten auf Basis eines 3D-Scans, sind vielversprechende Einsatzgebiete. Aber auch in zahlreichen MAHLE Produktionswerken wird bereits auf die additive Fertigung gesetzt. Ersatzteile für Produktionsmaschinen oder Vorrichtungen können so schnell und günstig beschafft werden.