3D-Druck: Wie Porsche damit PS auf die Straße bringt

Braucht es bei einem 700 PS starken Biturbo-Motor von Porsche noch eine Leistungssteigerung? Wenn es nach Porsche, Mahle und Trumpf geht, definitiv. Wie innovative Kolben aus dem 3D-Drucker für mehr Effizienz sorgen.

© Porsche AG 
Technologisch schlägt Porsche mit der additiven Fertigung ein neues Kapitel auf. Für Frank Ickinger, Leiter Antriebsvorentwicklung bei Porsche, ergeben sich dadurch unzählige neue Möglichkeiten bei Konstruktion und Fertigung. 

Nochmal 30 PS auf einen 700 PS starken Motor packen? Ein Traum, der bei Porsche schon fein gesponnen wird. Frank Ickinger gilt als bionischer Vordenker. Der Leiter der Antriebsvorentwicklung bei Porsche hat sich nämlich der additiven Fertigung verschrieben. So wird bei Porsche die Struktur des Kolbens an die Belastung angepasst und nicht mehr umgekehrt. „Das spart Gewicht und erhöht die Effizienz“, so Ickinger.

Ein Novum in der Konstruktion von Kolben? Fix. Weltweit ist Porsche der erste Autohersteller, der gedruckte Hochleistungskolben einsetzt. Der Porsche 911 GT2 RS, ein „Sportler“ mit ohnehin bereits 700 PS. Doch für die Konstrukteure von Porsche, Mahle und Trumpf geht immer mehr. Dank dem bionischen Design ist der innovative Kolben zehn Prozent leichter als sein geschmiedetes Pendant. „Wie Simulationen zeigen, wären sogar bis zu 20 Prozent Gewichtsersparnis drin“, schwärmt Ickinger.

Mehr Leistung bitte

Bei Porsche werden weltweit erstmalig 3D-gedruckte Hochleistungskolben im Porsche 911 GT2 RS eingesetzt. Ein Sportler mit ohnehin bereits 700 PS, aber da geht noch mehr. Das dachten sich auch die Unternehmen Porsche, Mahle und Trumpf. In Kooperation entstand eine neue Anwendung für 3D-Druck. Dank dem bionischen Design ist der innovative Kolben zehn Prozent leichter als sein geschmiedetes Pendant. Wie Simulationen zeigen, wären sogar bis zu 20 Prozent Gewichtsersparnis drin. 

 

Designfreiheit in der Konstruktion

Für die Konstrukteure von Mahle, die primär für den ringförmigen Kühlkanal zuständig sind, gab es dank 3D-Druck plötzlich mehr fertigungstechnische Freiheiten. Normalerweise kann ein ringförmiger Kühlkanal mittels konventionellen Verfahren nicht an den Kolben angebracht werden. Anders mithilfe der additiven Fertigung. Warum es das braucht? Der Kühlkanal senkt die Temperaturbelastung an einem besonders belasteten Teil des Kolbens, dem sogenannten Feuersteg, um bis zu 20 Kelvin. Verbrennung optimiert und höhere maximale Drehzahl erreicht? Check. 

 

© Mahle
Der Kühlkanal konnte erstmals in den Bauprozess des Kolbens direkt integriert werden. 

© Porsche AG
Nach 1.200 Schichten war Schluss: Kolbenrohlinge aus dem 3D-Drucker. 

Schicht für Schicht zum Kolben

Gedruckt wird übrigens mit einer TruPrint 3000 bzw. einer TruPrint 5000-Anlage des Werkzeugmaschinenherstellers Trumpf im Laser Metal Fusion Verfahren (LMF). Warum man das macht? Das Werkzeug muss nicht erst erstellt werden, in denen die Kolben gegossen werden. Das spart Zeit und Kosten. Für die additive Fertigung wird die spezielle Aluminiumlegierung von Mahle zu feinem Pulver zerstäubt. Die strengen Vorgaben hinsichtlich Reinheit und Beschaffenheit müssen auch beim Pulver erreicht werden. 

„Die Herausforderungen bei diesem Projekt waren vielfältig. Von der Konstruktion des Kolbens über die Qualifizierung des Materials bis hin zur Entwicklung der passenden Parameter für den Druck mussten wir an vielen Stellschrauben drehen, um das optimale Ergebnis zu erzielen“, erklärt Volker Schall, Head of Product Design in der Vorausentwicklung bei Mahle. 

Laser Metal Fusion-Verfahren (LMF), Pulverbettverfahren

Das Pulver – in diesem Fall feinstes Aluminiumpulver – wird in einer bestimmten Schichtstärke aufgeschmolzen. Eine neue Schicht Pulver wird nach jedem Vorgang mittels einer Walze aufgetragen (=aufgerakelt). Der Laserstrahl erhitzt entsprechend der Teilekontur die Pulveroberfläche. Die Pulverpartikel verschmelzen so zu einem festen dreidimensionalen Bauteil. Der Kolben entsteht Schicht für Schicht. Beim 3D-Druckspezialisten Trumpf entstanden so in rund 1.200 Schichten die Kolbenrohlinge.

Ein harter Testlauf

Im Anschluss an den Druckvorgang werden die Kolben endbearbeitet (Post-processing), vermessen und getestet. Es gelten auch hier dieselben strengen Standards, die ein konventionell gefertigtes Teil erfüllen muss. Besonderes Augenmerkt liegt auf dem mittleren Bereich des Kolbens, dem Schaft, und der Verbindungsstelle zum Pleuel, dem Kolbenauge. Geprüft werden diese Bereiche durch das Schaftpulsen und Abreißversuche. Belastungen, die im späteren Betrieb auftreten. Die hohe Qualität und Leistungsfähigkeit wurde jedoch nicht nur auf dem Prüfstand nachgewiesen. Mit zahlreichen zerstörungsfreien Verfahren wurden die Kolben mittels Computertomographie (CT), 3D-Scanning und Rasterelektronenmikroskop genauestens untersucht. 

© Porsche AG
Für additiv gefertigte Kolben gelten dieselben Testbedingungen wie für konventionell gefertigte Teile. 

© Porsche AG
Wirtschaftlich interessant ist die Laser-Metal-Fusion-Technologie allemal. 

Technologie für die Zukunft

Porsche wendet additive Fertigungsverfahren bereits in mehreren Bereichen an. Bewertet werden alle 3D-Druckverfahren hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit und Potenziale. Sowohl im Kunststoff- als auch im Metallbereich. Großes Potenzial sieht Porsche im gesamten Fahrzeug. Bei Porsche Classic werden Ersatzteile, die zuvor nicht mehr lieferbar waren, im additiven Verfahren nachgefertigt. Ein Ausrückhebel für die Kupplung des Porsche 959? Stammt heute bereits aus dem 3D-Drucker. Leichtbau, Funktionsintegration und Individualisierung gewünscht? Kein Problem. Technisch und wirtschaftlich interessant ist diese Fertigungstechnologie allemal. Speziell für Sonder- und Kleinserien im Motorsport.