16.07.2020

Aluminium-Kolben bei Mahle erstmals aus dem 3D-Drucker

Im Auto alles Elektro? Nicht ganz. In einer kleinen Ecke im Südwesten tüftelt man immer noch an Motortechnik von gestern – das allerdings mit Technik von morgen. Porsche-Zulieferer Mahle in Stuttgart ist es erstmals gelungen, sich Aluminiummotorkolben mit dem 3D-Drucker zu drucken.

3D Kolben

Wie bekomme ich 730 PS in einen Porsche?

Das Problem war: Porsche wollte seinen Sportwagen 911 GT2 RS aufbohren. Die Leistung des ohnedies mit 700 PS nicht gerade schwächlichen Porschemotors wollte der Sportwagenbauer um 30 PS steigern. Der bislang verbaute geschmiedete Kolben geriet da an seine Leistungsgrenzen.

Man wandte sich an die Spezialisten der Zulieferer Mahle und Maschinenbauer Trumpf. Die überlegten und kamen auf ihren 3D-Drucker. Dieser bietet laut einer Pressemitteilung von Mahle dank einem neuen Verfahren die Möglichkeit für ein bionisches Design. Seine Besonderheit: es guckt sie sich von der Natur ab. Wie etwa beim menschlichen Skelett setzt es nur an belasteten Stellen Material ein. Und passt die Struktur des Kolbens an diese Belastung an. Folge:

  • Das spart Material.
  • Der 3D-Druck-Kolben ist steifer als sein konventionell gefertigter Kollege aus der Schmiede.
  • Er ist bis zu 20 Prozent leichter als jener.

Mobilität von morgen

Mahle sieht sich als ein international führender Wegbereiter für die Mobilität von morgen. Das Produktportfolio deckt ein breites Spektrum entlang dem Antriebsstrang und der Klimatechnik ab – für Antriebe mit Verbrennungsmotor genauso wie für die Elektromobilität.

Der Technologie-Konzern hat eigenen Angaben zufolge 2019 mit mehr als 77.000 Mitarbeitern einen Umsatz von rund 12,0 Milliarden Euro erwirtschaftet und ist mit 160 Produktionsstandorten in mehr als 30 Ländern vertreten. Das Unternehmen baut Kompetenzen im Bereich 3D-Druck aus, um künftig auch im Bereich alternativer Antriebe, beispielsweise beim Elektroantrieb, seine Kunden mit passenden Bauteilen rund um Antrieb, Thermomanagement und Mechatronik zu versorgen.

Ersatzteile für eine Dampflok – aus dem 3D-Drucker

Das Hochtechnologieunternehmen Trumpf sieht sich als ein führender Hersteller für 3D-Drucker in Baden-Württemberg. Erst im Januar 2020 sorgte das Unternehmen für Aufsehen mit der Nachricht, für die Deutsche Bahn Ersatzteile aus Metall mit 3D-Druck zu fertigen – für eine Dampflok.

Ein Laserstrahl schmilzt dabei Metallpulver in einem 3D-Drucker zusammen und fertigt so das Schaufelrad einer Dampflok. Es gehört zu einem Dampfgenerator, der Strom für die elektrischen Systeme auf der Lok erzeugt. Ohne dieses Rad kann die Dampflok nicht fahren. Die Instandsetzung eines verschlissenen Schaufelrads war in der Vergangenheit mit hohem Arbeitsaufwand verbunden, da das Bauteil bislang aus 90 Einzelschaufeln bestand.

Warte- und Lieferzeiten liegen bei Spezialteilen häufig bei bis zu 24 Monaten. Das betrifft auch Ersatzteile für Züge der Deutschen Bahn, die täglich für Kunden im Einsatz sind.

„So können wir eine bessere Versorgung mit Ersatzteilen sicherstellen und die Fahrzeuge schneller wieder für unsere Fahrgäste bereitstellen“, so Stefanie Brickwede, Projektleiterin für den 3D-Druck bei der Deutschen Bahn.
Insbesondere gehe es um Teile, die mit langen Lieferzeiten verbunden sind oder gar nicht mehr erhältlich wären. Ziel der DB ist es, bis 2021 tausende verschiedene Ersatzteile über den 3D-Druck abrufbar zu machen.

Bionisches Design verringert Kolbengewicht

Zusätzlich haben die Entwickler für den Porsche-Kolben einen besonders platzierten und geformten Kühlkanal in der Nähe der Kolbenringe eingebracht. Diese Konstruktion basiert auf Mahles Erfahrung mit thermischen Prozessen am Kolben und ist so nur im 3D-Druck-Verfahren möglich. Der Kühlkanal senkt die Temperaturbelastung am sogenannten Feuersteg, einem belasteten Teil des Kolbens, verbessert so die Verbrennung und ermöglicht eine höhere maximale Motordrehzahl.

Aluminiumlegierung von Mahle

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): ein Laserstrahl schmilzt hier das Aluminiumpulver in einer bestimmten Schichtstärke auf. Sodann wird eine neue Schicht Pulver aufgetragen und so der Kolben Schicht für Schicht aufgebaut. In rund 12 Stunden entstehen bei Trumpf so in rund 1.200 Schichten die Kolbenrohlinge.

Endbearbeitet, vermessen und getestet

Von der Konstruktion des Kolbens über die Qualifizierung des Materials bis hin zur Entwicklung der passenden Parameter für den Druck war an vielen Stellschrauben zu drehen, um das beste Ergebnis zu erzielen, erklärt Volker Schall, Head of Product Design in der Vorausentwicklung bei Mahle. Im Anschluss wird der Kolbenrohling bei Mahle endbearbeitet, vermessen und getestet. Hierbei muss er dieselben strengen Standards wie ein konventionell gefertigtes Teil erfüllen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf:

  • dem mittleren Bereich des Kolbens, dem so genannten Schaft, und
  • der Verbindungsstelle zum Pleuel, dem Kolbenauge.

Geprüft werden diese Bereiche durch Schaftpulsen und Abreißversuche. Damit simulieren die Ingenieure Belastungen, die im späteren Betrieb auftreten.

Qualität eines konventionell gefertigten Serienkolbens

Die Qualität des gedruckten Kolbens entspricht der 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 Stunden Dauerlauf unter härtesten Bedingungen,
  • rund 6.000 Kilometer mit 250 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit einschließlich Tankstopps,
  • rund 135 Stunden unter Volllast,
  • 25 Stunden Schlepplast, also der simulierte Schubbetrieb eines Fahrzeugs.

Teamarbeit für einen Hochleistungssportwagen

Frank Ickinger, Projektleiter bei Porsche, sagt:

„Durch die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten konnten wir an unseren absoluten Hochleistungssportwagen, den Porsche 911 GT2 RS, die Potenziale der additiven Fertigung unter Beweis stellen  und somit den Weg für den Einsatz in zukünftigen Antrieben ebnen.“
Steffen Rübling, Projektleiter bei TRUMPF, sieht große Chancen für den 3D-Druck in der Fertigung der Zukunft.
„Das Projekt zeigt beispielshaft, wie wir mit 3D-Druck Bauteile weiter verbessern können, deren Leistungspotenzial durch jahrzehntelange Entwicklung bereits erschöpft ist.“
Davon sollen weitere Industrien profitieren, etwa die Luft- und Raumfahrt oder die Energiebranche.

Autor: Friedrich Oehlerking (Freier Journalist und Experte für Einkauf, Logistik und Transport)