additiv gefertigte Kolben-Rohlinge von Porsche mit Technologie von Mahle und Trumpf

Die Kolben-Rohlinge für den Porsche 911 GT2 RS nach dem Druckprozess. Bei der Entwicklung wurde Porsche unterstützt von Mahle und Trumpf. - Bild: Porsche

In der Automobilindustrie ist die Additive Fertigung aus einigen Bereichen nicht mehr wegzudenken, auch bei Porsche ist der 3D-Druck bereits für verschiedene Fahrzeugteile wie Sitze oder Kupplungshebel im Einsatz. Der Sportwagenhersteller setzt jetzt nach eigener Aussage einen "neuen Meilenstein in der Anwendung additiver Fertigungsverfahren für hochbelastete Antriebsbauteile": Erstmals wurden Kolben aus dem 3D-Drucker erfolgreich für den Hochleistungsmotor des Supersportlers 911-Modells GT2 RS eingesetzt.

Der 3D-Druck punktet wie häufig auch in dieser Anwendung mit seiner strukturellen Freiheit. Die Aluminium-Hochleistungskolben des 911 GT2 RS entstehen im Laser-Metall-Fusion-Verfahren (LMF) aus hochreinem Metallpulver. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, ein bionisches Design umzusetzen, das die Steifigkeit des Kolbens im Vergleich zu dem eines konventionell gefertigten erhöht. Der speziell geformte Kühlkanal senkt die Temperaturbelastung am sogenannten Feuersteg, einem besonders belasteten Teil des Kolbens. So wird die Verbrennung optimiert, was eine höhere maximale Motordrehzahl ermöglicht. Konventionell könnte ein solcher Kühlkanal nicht eingebracht werden.

Kolben-Bauteile entstehen im 3D-Drucker mithilfe von Laserstrahlen
Im 3D-Drucker von Trumpf entstehen die Porsche-Kolben Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers. - Bild: Porsche

Mehr Leistung und höhere Effizienz dank 3D-Druck

Außerdem wiegen die Bauteile aus dem Vorentwicklungsprojekt zehn Prozent weniger als die geschmiedeten Serienkolben. „Wir können durch die neuen, leichteren Kolben die Motordrehzahl steigern, die Temperaturbelastung der Kolben verringern und die Verbrennung optimieren“, erklärt Frank Ickinger aus der Antriebsvorentwicklung von Porsche. "Bis zu 30 PS mehr Leistung aus dem 700 PS starken Biturbo-Motor sind dadurch denkbar, und das bei höherer Effizienz."

Das zeigt das Potenzial des 3D-Drucks im Motorenbau, denn die Qualität des gedruckten Kolbens entspricht laut Informationen von Projektpartner Mahle der gewohnt hohen Qualität eines konventionell gefertigten Serienteils. Für die praktische Erprobung wurden sechs Kolben im Motor eines Porsche 911 GT2 RS verbaut. Auf dem Prüfstand absolvierte das Triebwerk erfolgreich 200 Stunden Dauerlauf unter härtesten Bedingungen.

Wie die Entwicklung und die Tests bei Mahle abliefen, sehen Sie in diesem Video:

Quelle: Mahle

Auch BMW und Mercedes-Benz drucken Motor-Komponenten

Die Ingenieure von Porsche sind allerdings nicht die einzigen in der Automobilindustrie, die das Potenzial der Additiven Fertigung im Motorenbereich erkannt haben. Auch BMW und Mercedes-Benz nutzen die Technologie in diesem Bereich.

Mercedes-Benz nutzt laut eigenen Angaben bereits seit 30 Jahren 3D-Druck und hat schon über eine Million Bauteile auf diese Weise hergestellt. Die 150.000 jährlich produzierten Teile sind allerdings zum großen Teil für den Prototypenbau, für Betriebsmittel und die Kleinserienfertigung gedacht.

Für Motoren entstehen momentan vor allem Ersatzteile, besonders im Young- und Oldtimerbereich. Hier erlaubt die Additive Fertigung die Herstellung von nicht mehr verfügbaren Ersatzteilen in Originalqualität. Eines dieser Bauteile ist beispielsweise ein Zündkerzenhalter für 300 SL Coupés und Roadster, aber auch andere Fahrzeuge. Hier werden die Vorteile der additiven Herstellung auch genutzt, um eine nur so mögliche Modifikation vorzunehmen: Statt von einer Steckerbuchse wird die Zündkerze nun von einem Magneten sicher gehalten. Damit ist der Halter jetzt universell für sämtliche Zündkerzenbauarten mit und ohne SAE-Anschlussmutter verwendbar.

Bei BMW werden die Vorteile additiver Verfahren in der Motorenfertigung umfassend ausgenutzt - im Prototypenbau, im Rennsport und für die Motoren der M-Baureihe.

"Die Anwendung von additiver Fertigung bei der Herstellung von Prototypen-Bauteilen für den Motor ist bei der BMW Group Standard", heißt es vonseiten des Unternehmens auf Nachfrage von PRODUKTION. "Darüber hinaus haben wir ein Wasserpumpenrad für die Produktion mittels 3D-Druck weiterentwickelt und nutzen dieses seit 2015 für die Motorkühlung in der Rennsportserie."

Für die Fertigung der Wasserpumpenräder der Rennmotoren wurde das SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) gewählt. Laut BMW erwies sich diese Technologie als optimal. Zum einen erlaube es konstruktive Feinheiten an dem sechsflügeligen Radialpumpenrad, die mit anderen Herstellungsmethoden nur unter höherem Aufwand herstellbar sind. So konnte das Bauteil für die Fahrzeuge der DTM (Deutsche Tourenwagen Meisterschaft) strömungstechnisch optimal konstruiert werden.

additiv gefertigtes Wasserpumpenrad von BMW mit Wasserpumpe im Hintergrund
Dieses Wasserpumpenrad aus 3D-Drucker fertigt BMW für den Einsatz in DTM-Fahrzeugen und den Z4 GT3.- Bild: BMW

3D-Druck wirtschaftlicher als komplexe Werkzeuge

Zum anderen erübrigen sich komplexe Werkzeuge und Gussformen, die bedarfsgerechte Produktion mittels additiver Fertigung ist daher wirtschaftlicher.

Bei seinen Fahrzeugen der M-Modellreihe setzt BMW auf Zylinderköpfe aus dem 3D-Drucker. Auch hier punkten die gedruckten Bauteile gegenüber den konventionell gefertigten, da sie über optimierte Kühlkanäle verfügen, die anders nicht möglich gewesen wären. Zusätzlich zu dem so verbesserten Temperaturmanagement konnte das Gewicht weiter reduziert werden.

Wie der Motor inklusive der additiv gefertigten Bauteile montiert wird, sehen Sie im Video:

Quelle: BMW

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