Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Antriebsspezialisten Mahle, dem Sportwagenhersteller Porsche und dem Maschinenbauunternehmen Trumpf gelang es erstmals, Hochleistungskolben aus Aluminium im 3D-Druckverfahren herzustellen. Erfolgreich erprobt wurden diese auf dem Motorprüfstand für den Sportwagen 911 GT2 RS von Porsche. Während das Leistungspotential des serienmäßig verbauten geschmiedeten Kolbens erschöpft war, ist eine Leistungssteigerung des 700 PS starken Porschemotors um 30 PS bei gleichzeitiger Effizienzsteigerung denkbar.
Der Hochleistungskolben und sein Design
Der Hochleistungskolben wurde in einem bionischen Design entwickelt. Dabei wird, nach dem Vorbild der Natur, etwa des menschlichen Skeletts, nur an belasteten Stellen Material eingesetzt und die Struktur des Kolbens an diese Belastung angepasst. Das spart Material und macht den additiv gefertigten Kolben im Vergleich zum konventionell gefertigten Pendant bei einer gleichzeitig höheren Steifigkeit um bis zu 20 % Gewichtspotenzial leichter.
Zusätzlich haben die Entwickler von Mahle einen optimal platzierten und speziell geformten Kühlkanal in der Nähe der Kolbenringe eingebracht. Diese Konstruktion ist so nur im 3D-Druck-Verfahren möglich. Der Kühlkanal senkt die Temperaturbelastung am sogenannten Feuersteg, einem besonders belasteten Teil des Kolbens, optimiert so die Verbrennung und ermöglicht eine höhere maximale Motordrehzahl.
Von der Fertigung bis zum Prüfstand
Die Grundlage für den neuen Fertigungsprozess bildet eine spezielle Aluminiumlegierung von Mahle, die in gegossenen Kolben seit langem erfolgreich im Einsatz ist und dafür zu einem feinen Pulver zerstäubt wird. Gedruckt wird im sogenannten Laser Metal Fusion Verfahren (LMF): Per Laserstrahl wird das Aluminiumpulver in einer bestimmten Schichtstärke aufgeschmolzen, eine neue Schicht Pulver aufgetragen und so der Kolben Schicht für Schicht aufgebaut. In rund 12 h entstehen beim 3D-Druckspezialisten Trumpf so in rund 1200 Schichten die Kolbenrohlinge.
Im Anschluss wird der Kolbenrohling bei Mahle endbearbeitet, vermessen und getestet, wobei er dieselben strengen Standards wie ein konventionell gefertigtes Teil erfüllen muss. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf dem mittleren Bereich des Kolbens, dem so genannten Schaft, und der Verbindungsstelle zum Pleuel, dem Kolbenauge. Geprüft werden diese Bereiche durch das sogenannte Schaftpulsen und durch Abreißversuche. Damit simulieren die Ingenieure Belastungen, die im späteren Betrieb auftreten.
Die Prüfungen mit zahlreichen zerstörungsfreien Verfahren wurden beim Projektpartner Zeiss durchgeführt. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die Computertomographie, 3D-Scanning und Mikroskopie sowie die Analyse aufgeschnittener Kolben. Das Ergebnis: Die Qualität des gedruckten Kolbens entspricht der gewohnt hohen Qualität eines konventionell gefertigten Serienkolbens. Für die praktische Erprobung wurden sechs Kolben im Motor des Porsche 911 GT2 RS verbaut. Auf dem Prüfstand absolvierte das Triebwerk erfolgreich 200 h Dauerlauf unter härtesten Bedingungen. Rund 6000 km mit 250 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit einschließlich Tankstopps, rund 135 h unter Volllast. Auch 25 h Schlepplast, also der simulierte Schubbetrieb eines Fahrzeugs, gehörten zum Testlauf dazu.
Vorteile des 3D-Drucks gut ausgeschöpft: Ladeluftkühler
Ein ebenfalls im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts entwickelter Zusatz-Ladeluftkühler ist ein weiteres Beispiel für die Vorteile des 3D-Drucks. Das Bauteil versteckt sich in einem Luftrohr zwischen Turbo und dem eigentlichen Ladeluftkühler. Der Ladeluftkühler verfügt dank der Möglichkeiten des 3D-Drucks über eine deutlich größere wärmeübertragende Fläche. Dadurch können Strömungsführung und Kühlung optimiert werden. Der Effekt: Die Ansaugluft wird kühler, die Motorleistung steigt und der Verbrauch sinkt. eve
Videotipps:
von Mahle: hier.pro/ozMLD
von Porsche (Film vom 13.07.2020): hier.pro/OK9eE
Kontakt:
Mahle GmbH
Pragstraße 26 – 46
70376 Stuttgart/Deutschland
Telefon +49 711 501–0
Mail: info@mahle.com
www.mahle.com
Trumpf GmbH + Co. KG (Holding)
Johann-Maus-Straße 2
71254 Ditzingen
Telefon +49 7156 303–0
Telefax +49 7156 303–930309
E-Mail info@trumpf.com
www.trumpf.com
Porsche AG
Porscheplatz 1
D-70435 Stuttgart
Tel: 0711 / 911–0
www.porsche.de
