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Additive Fertigung Kolben aus dem 3-D-Drucker für Porsches GT2 RS

| Autor: Thomas Günnel

Gegossene oder geschmiedete Kolben? Die Antwort könnte bald lauten: gedruckte. Porsche hat erste einsatzbereite Kolben für Verbrennungsmotoren im 3-D-Drucker hergestellt.

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Porsche hat erste Prototypen 3-D-gedruckter Kolben hergestellt.
Porsche hat erste Prototypen 3-D-gedruckter Kolben hergestellt.
(Bild: Porsche)

Leistung. Für einen Automobilhersteller wie Porsche hat sie Priorität – gleichzeitig ist der Verbrennungsmotor weit entwickelt, große Performance-Sprünge erfordern kreative Ideen. Die hatten Porsche und der Automobilzulieferer Mahle, als sie das Pilot-Projekt „3-D-Kolben-Druck“ starteten; unterstützt vom Laserhersteller Trumpf und dem Messtechnik-Unternehmen Carl Zeiss.

Eingeschworene Fans der Marke könnten theoretisch ihre Unterschrift auf die Kolben drucken lassen.

Das Projektziel: ein leichterer Kolben mit besseren Kühleigenschaften. Dafür integrierten die Entwickler einen Kühlkanal in den Kolben. Dieser Kanal hat eine spezielle Querschnittsform und ist bis auf zwei Öffnungen für Ein- und Austritt des Öls wie eine Röhre geschlossen. Diese Konstruktion senkt die Bauteiltemperatur am thermisch extrem belasteten Bereich der Kolbenringe um mehr als 20 Grad.

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Weniger Gewicht, höhere Drehzahl, mehr Leistung

Das bedeutet: „Wir können das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit höheren Drücken und Temperaturen verbrennen – und das ist gleichbedeutend mit höherer Effizienz“, beschreibt Frank Ickinger aus der Antriebsvorentwicklung in Weissach.

Das Bauteilgewicht der Kolben sank ebenfalls: im ersten Anlauf um rund zehn Prozent, „hier sind wir aber noch auf Nummer Sicher gegangen.“ Bis zu 20 Prozent sind laut Simulationen möglich. „Geringere oszillierende Massen erlauben dann höhere Drehzahlen. 300 Umdrehungen pro Minute mehr bedeuten etwa 30 PS mehr“, rechnet Ickinger, und fügt an: „Für mich ist das ein Beispiel für das Potenzial, das noch immer im Verbrennungsmotor steckt.“

Extreme Prüfstandstests

Aber halten die gedruckten Kolben auch im harten Einsatz? „Wir haben die Kolben genauso getestet wie jeden anderen Kolben.“ Der praktische Testlauf erfolgte auf dem Prüfstand in einem 911-GT2-RS-Motor. „Das Testprogramm umfasste einen 200-stündigen Dauerlauf. Das bedeutet: 24 Stunden auf einer Hochgeschwindigkeitsstrecke, also rund 6.000 Kilometer mit 250 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit, einschließlich Tankstopps. Dazu kamen rund 135 Stunden unter Volllast sowie etwa 25 Stunden Schlepplast, jeweils bei verschiedenen Drehzahlen“, beschreibt Frank Ickinger.

Das Ergebnis: Alle Kolben haben den Test bestanden, „sie stehen ihren gegossenen oder geschmiedeten Pendants in nichts nach.“

Wie entsteht ein gedruckter Kolben?

Das verwendete Fertigungsverfahren heißt „Laser Metal Fusion“ oder „Laser Powder Bed Fusion“. Dabei schmilzt ein Laserstrahl Pulver auf und baut den Kolben so Schicht für Schicht. Eine Schicht ist rund 0,02 bis 0,1 Millimeter stark. Rund zwölf Stunden und etwa 1.200 Schichten später sind die Kolbenrohlinge fertig.

Viel schneller ist die Fertigung noch nicht möglich. Limitierende Elemente sind die Optiken der Laser. Sie müssen sich abgestimmt bewegen, um sich nicht zu überkreuzen. Der Druckvorgang erfolgt außerdem unter Schutzgas. Der reibungslose Gasstrom wird wiederum vom Bauraum der Maschine limitiert.

Mal eben einen topologieoptimierten Kolben drucken – so einfach ist es dann aber doch nicht. Das Auftragen der Schichten mittels Verschmelzen stellt neue Anforderungen: „Sind zum Beispiel Überhänge in einem Winkel von mehr als etwa 45 Grad vorgesehen, müssen sogenannte Stützstrukturen eingebracht werden, um die Geometrie gegen Verziehen zu stabilisieren“, erklärt Frank Ickinger, „sonst können sich die Bauteile verziehen oder auswölben. Das könnte den Beschichter zum Auftragen der Pulverschicht beschädigen und den Bauprozess stoppen.“ Die Kunst besteht darin, möglichst wenige Stützstrukturen zu generieren, da diese später meistens wieder entfernt werden müssen.

Welche Werkstoffe nutzt Porsche?

Als Werkstoff kommt die Gusslegierung „M174+“ zum Einsatz. Aus ihr entwickelten die beteiligten Ingenieure von Mahle das Pulver für den additiven Fertigungsprozess. In umfangreichen Tests ermittelten sie anschließend, ob sich das Pulver für die Fertigung eignet. Dabei untersuchten sie auch das Verhalten und die Struktur des Pulvers bei Mehrfachverwendung – Stichworte: Recycling und Nachhaltigkeit. Das Pulver zeigte auch bei Mehrfachverwendung keine für die Bauteileigenschaften relevanten Veränderungen.

Ab wann setzt Porsche die Kolben ein?

Die additiv entstandenen Kolben sind Prototypen. Eine Kleinserie könnte aber schon in fünf Jahren kommen, abhängig von der Entwicklung von Bauteil und Verfahren. Denkbar ist auch, die gedruckten Kolben in einem Leistungskit anzubieten – dann könnten die Kolben aus dem 3-D-Drucker die serienmäßig montierten geschmiedeten Kolben ersetzen.

Im nächsten Schritt arbeitet sich Frank Ickinger mit seinem Team an die Grenzen der additiv gefertigten Kolben heran und testet weitere Varianten. „Außerdem schauen wir uns die Industrialisierung des Verfahrens an: Wie viele Maschinen benötigen wir? Wie sieht die Qualitätssicherung konkret aus?“

Kolben mit eigener Unterschrift

Zu den Kosten des Verfahrens sagt Porsche in diesem frühen Entwicklungsstadium noch nichts. Teuer sind derzeit noch die Materialien. Ihre Schmelze muss verdüst – auch Sprühkompaktieren genannt – werden, um das Pulver herzustellen. Das passiert häufig in kleinen Unternehmen – weit weg von einem Großserienprozess.

Mittelfristig soll die additive Fertigung aber auch bei Porsche dem Prototypenstatus entwachsen: in Sonderserien und zur Individualisierung. Im Fall des Kolbens könnten sich eingeschworene Fans der Marke dann theoretisch zum Beispiel ihre Unterschrift auf die Kolben drucken lassen.

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Über den Autor

 Thomas Günnel

Thomas Günnel

Redakteur/Fachjournalist, Redaktion AUTOMOBIL INDUSTRIE