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Additive Fertigung von Hochleistungs-Antriebsstrangkomponenten im Porsche GT2 RS

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  • Additive Fertigung von Hochleistungs-Antriebsstrangkomponenten im Porsche GT2 RS

    Die additive Fertigung bietet mehr Gestaltungsfreiheit und ermöglicht Formen, die mit herkömmlichen Produktionsprozessen nicht möglich sind. In einem Kooperationsprojekt haben Porsche, Mahle, Trumpf und Zeiss einen additiv gefertigten Kolben für den Porsche GT2 RS entwickelt, der das Potenzial bietet, die Leistung und Effizienz des Biturbomotors zu steigern.

    Die additive Fertigung bietet ein großes Potenzial für Produkt- und Prozessinnovationen in der Automobilindustrie und in neuen Geschäftsbereichen. Beispiele für Produktinnovationen sind Leichtbau und funktionale Integration, während Prozessinnovationen agile Entwicklung und flexible Produktion umfassen. Neue Geschäftsfelder liegen in der Individualisierung, neuen Angeboten für Kunden, Ersatzteilen und unterstützenden Produktionshilfen sowie nach Bedarf hergestellten Teilen. Additive Fertigung kann auch dazu beitragen, Prototypen schnell zu bauen, um in Zeiten immer kürzerer Entwicklungszyklen erfolgreich und wettbewerbsfähig zu bleiben. Es ist möglich, die Beschaffungszeit für Prototypkolben um über 30% zu verkürzen, indem die für Gusskolben erforderlichen Werkzeuge wegfallen.

    Unter dem Aspekt der Produktinnovation hat der hier vorgestellte additiv gefertigte Kolben ein großes Potenzial für Porsche. Die zusätzliche Gestaltungsfreiheit, die die additive Fertigung bietet, ermöglichte die Herstellung einer Kühlgalerie im Kolben - ein Beispiel für die Funktionsintegration -, die in einem Schmiedeprozess nicht hergestellt werden konnte. Die Optimierung der Topologie führte auch zu einer Massenreduzierung von 10%. Die Summe dieser Maßnahmen ergibt eine potenzielle Leistungssteigerung des 515 kW-Biturbomotors um 22 kW bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad und damit einen Spielraum für eine CO 2 -Reduzierung - ein Beispiel für das zukünftige Potenzial des Verbrennungsmotors.


    Starke Kooperationspartner

    In einem fortgeschrittenen Entwicklungsprojekt haben die drei Kooperationspartner Porsche, Mahle und Trumpf jeweils ihr Know-how eingebracht, um den erfolgreichen Abschluss von Prüfstands-Ausdauerläufen mit dem additiv gefertigten Kolben im Motor zu ermöglichen.

    Additive Fertigung ist für Porsche ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung (Prototyping) und des Motorsports. In der Abteilung Classic werden Komponenten aus Kunststoff, Stahl und Leichtmetall - bisher nicht mehr erhältlich - in additiven Prozessen reproduziert.

    Die in den letzten Jahren erzielten Fortschritte haben diese Produktionstechnologie sowohl technisch als auch kommerziell sehr interessant gemacht, insbesondere für Spezial- und Kurzzeitserien sowie den Motorsport. Porsche lieferte die Randbedingungen für die gemeinsame Entwicklung des Kolbens und führte die Prüfstand-Ausdauerläufe durch.

    Mahle arbeitete als Lieferant der Serienkolben an den Themen Design und Simulation, Materialcharakterisierung und Optimierung des eigens entwickelten Materials und führte Komponententests außerhalb des Motors durch. Erfahrungen in der additiven Fertigung wurden aus den Entwicklungsabteilungen, dem Motorsport, den Produktionsstätten und dem Geschäftsbereich Classic eingebracht.

    Trumpf war verantwortlich für die Entwicklung der Parameter für den additiven Herstellungsprozess unter Verwendung seiner Maschinen und der speziellen Kolbenlegierung. Das Unternehmen unterstützte das Design auch mit Konstruktionsrichtlinien, um die Konstruktionsvorteile dieses Herstellungsprozesses zu nutzen und die Anzahl der für die Fertigung erforderlichen Stützstrukturen zu minimieren. Trumpf produzierte auch die Rohkolbenkomponenten auf einer TruPrint 3000-Maschine. Sie wurden dann bei Mahle fertig bearbeitet.

    Als weiterer Projektpartner unterstützte Zeiss den Mess- und Inspektionsprozess für die additive Fertigung - die sogenannte 3D ManuFACT BlueLine - zum Testen des Pulvermaterials und zum Überprüfen der Komponenten vor, während und nach dem Testen. Die Messmethoden umfassten CT-Scans, optische Mikroskopie, 3D-Scanning, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenmikroskopie.

    Das Team arbeitete eng zusammen, um gemeinsam neue Entwurfsmethoden, neue Testverfahren, einen Qualifizierungs- und Qualitätssicherungsprozess und vieles mehr zu entwickeln. Ziel war es, nicht nur eine funktionierende Komponente, sondern auch die gesamte Prozesskette für die additive Fertigung für einen (kurzfristigen) Serienproduktionsprozess für Kraftfahrzeuge herzustellen, um diese in bestehende Fertigungsprozesse umsetzen zu können.


    Das bionische Design reduziert die Kolbenmasse und erhöht den Wirkungsgrad

    Bei dem sogenannten bionischen Design, das natürliche Strukturen nachahmt, fügt die computergestützte Topologieoptimierung Material nur in belasteten Bereichen hinzu, wobei die Struktur genau an die Belastung angepasst wird ( Abbildung 1) . Dies spart Material und hat den additiv hergestellten Kolben 10% leichter als sein herkömmlich hergestelltes Gegenstück gemacht, während die Steifigkeit erhöht wurde. Neuere Simulationen zeigen eine mögliche Massenreduzierung von bis zu 20%. Durch diese Reduzierung der Schwingmassen kann die Motordrehzahl um bis zu 300 U / min erhöht werden. Dies ist beim GT2 RS-Motor eine Leistungssteigerung von rund 22 kW denkbar. Der Torsionsschwingungsdämpfer kann auch kleiner gemacht werden, wodurch der Motor reaktionsschneller und drehfreudiger wird.
    Abbildung 1 Additiv gefertigter Kolben für den 911 GT2 RS (© Mahle)

    Abbildung 1 Additiv gefertigter Kolben für den 911 GT2 RS (© Mahle)



    Darüber hinaus haben die Entwickler eine optimal positionierte und speziell geformte Kühlgalerie in der Nähe der Kolbenringe eingeführt, ohne die Kolbenhöhe erhöhen zu müssen ( Abbildung 2) . Diese Galerie hat eine spezielle Querschnittsform und ist bis auf die beiden Öffnungen für den Öleinlass und -auslass wie ein Rohr verschlossen. Eine solche Struktur kann nur in einem additiven Herstellungsprozess hergestellt werden. Die Kühlgalerie reduziert die Temperaturbelastung am oberen Steg, einem besonders thermisch belasteten Teil des Kolbens. Dies optimiert die Verbrennung und erhöht den Wirkungsgrad. Die Kühlgalerie ist so konstruiert, dass sie ohne tragende Strukturen hergestellt werden kann.

    Optimierte Kühlgalerie im Kolben, die nur durch additive Fertigung hergestellt werden kann (© Mahle)

    Abbildung 2 - Optimierte Kühlgalerie im Kolben, die nur durch additive Fertigung hergestellt werden kann (© Mahle)


    Die Konstruktionsdaten durchliefen eine anschließende Finite-Elemente-Simulation und wurden virtuell auf Zuverlässigkeit hinsichtlich Ausfall, Lebensdauer und Temperaturbelastung überprüft. Vorteilhaft erwies sich auch die zusätzliche umlaufende Kühlgalerie auf Höhe der Kolbenringe: Im stark thermisch belasteten Bereich unterhalb der Auslassventile sank die Temperatur um mehr als 20 K. Mehrere Konstruktions- und Berechnungsiterationen führten zu einer optimalen Konstruktion, die erfüllt alle Anforderungen, Abbildung 3 .

    Konstruktionsprozess für additive Fertigung (© Mahle)

    Abbildung 3 - Konstruktionsprozess für additive Fertigung (© Mahle)



    Pulvermaterial aus Gusslegierung entwickelt

    Das neue Produktionsverfahren basiert auf der proprietären Gusslegierung M174 + auf Aluminiumbasis von Mahle, die seit langem erfolgreich für konventionell hergestellte Kolben eingesetzt wird. Die Legierungsschmelze wird unter einem Inertgas mit hoher Geschwindigkeit zu einem feinen Pulver zerstäubt, um sie verarbeiten zu können. Um die Qualität des Pulvers und seine Eignung für die additive Fertigung zu überprüfen, wird es zunächst anhand von Fließfähigkeits- und Schüttdichtemessungen, Feuchtigkeitsgehaltsmessungen und Korngrößenverteilungen untersucht. Um Poren in den Pulverkörnern zu erkennen, bewerteten die Experten die Oberflächen in metallografischen Mikroschnitten. Gasförmige Verunreinigungen wurden unter Verwendung von Heißextraktion mit Trägergas bewertet. Darüber hinaus verwendete Zeiss optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgencomputertomographie, um die Qualität der Körner in Bezug auf Kontamination zu bewerten. Partikelform, Partikelgrößenverteilung, Satellitenbildung und gasförmige Einschlüsse. Hier war es auch wichtig, das Verhalten und die Struktur des Pulvers bei mehrmaliger Verwendung zu analysieren, was ein kritischer Aspekt für Recycling und Nachhaltigkeit ist. Das Pulver zeigte auch nach mehrmaliger Verwendung keine für die Komponenteneigenschaften relevanten Veränderungen. Ziel war es, im anschließenden Bauprozess eine homogene Pulverschicht mit reproduzierbaren Pulvereigenschaften zu gewährleisten. Teile werden unter Verwendung der sogenannten Laser Metal Fusion (LMF) hergestellt, die auch als Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bezeichnet wird. Dies ist ein kritischer Aspekt für Recycling und Nachhaltigkeit. Das Pulver zeigte auch nach mehrmaliger Verwendung keine für die Komponenteneigenschaften relevanten Veränderungen. Ziel war es, im anschließenden Bauprozess eine homogene Pulverschicht mit reproduzierbaren Pulvereigenschaften zu gewährleisten. Teile werden unter Verwendung der sogenannten Laser Metal Fusion (LMF) hergestellt, die auch als Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bezeichnet wird. Dies ist ein kritischer Aspekt für Recycling und Nachhaltigkeit. Das Pulver zeigte auch nach mehrmaliger Verwendung keine für die Komponenteneigenschaften relevanten Veränderungen. Ziel war es, im anschließenden Bauprozess eine homogene Pulverschicht mit reproduzierbaren Pulvereigenschaften zu gewährleisten. Teile werden unter Verwendung der sogenannten Laser Metal Fusion (LMF) hergestellt, die auch als Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bezeichnet wird.

    Beim LMF-Verfahren werden die Komponenten in Schichten in einem Pulverbett hergestellt. Dies erfolgt in einer mit Inertgas gefluteten Verarbeitungskammer. Bei den Präzisionsmaschinen der TruPrint 3000-Serie von Trumpf sind Lager-, Bau- und Überlaufzylinder in einer Achse nebeneinander angeordnet. Der Prozess beginnt damit, dass der Beschichter Pulver aus dem Vorratsbehälter durch den Gebäudezylinder drückt und so eine Pulverschicht erzeugt. Überschüssiges Pulver landet im Überlaufbehälter. Der Laserstrahl erwärmt dann die Pulveroberfläche entsprechend der Teilekontur, verschmilzt sie zu einer festen Metallschicht und verbindet diese mit den zuvor verschmolzenen Schichten darunter ( Abbildung 4). Im nächsten Schritt fällt der Gebäudezylinder um einige Mikrometer (0,02 - 0,1 mm) ab und der Beschichter trägt die nächste Pulverschicht auf. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Komponente vollständig generiert wurde. Das nicht geschmolzene Pulver wird dann in einer Auspackstation aus dem Gebäudezylinder entfernt, wodurch die Komponenten freigelegt werden ( Abbildung 5) . Sie müssen dann von der Grundplatte getrennt werden, die als Bodenschicht dient.
    Schematische Darstellung des LMF-Prozesses (© Trumpf)

    Abbildung 4 - Schematische Darstellung des LMF-Prozesses (© Trumpf)

    Abbildung 5 Freiliegender Kolben auf der Grundplatte (© Trumpf)

    Abbildung 5 - Freiliegender Kolben auf der Grundplatte (© Trumpf)


    Als erste Testmuster erzeugte Trumpf einfache geometrische Formen wie Quader und Stifte für Materialprobenprüfungen, um die Materialeigenschaften zu bestimmen. Zuvor wurden mehrere Builds ausgeführt, um die optimalen Prozessparameter der Maschine für dieses Material zu ermitteln. Die Ergebnisse der Materialeigenschaftstests waren durchweg positiv: Die Proben weisen eine weitgehend gleichmäßig verteilte runde Porosität mit Porengrößen zwischen 5 und 50 µm auf ( Abbildung 6). Die Härte der Proben lag nach einer typischen Wärmebehandlung in etwa auf dem Niveau von Gusskolben. Die physikalischen Eigenschaften waren auch mit denen des Gussmaterials vergleichbar. Die Wärmeausdehnung war etwas geringer, die abwechselnde Zug- und Druckfestigkeit war die gleiche wie die des Gussmaterials bei 150 und 300 ° C, und einige der additiv hergestellten Proben übertrafen sogar die Eigenschaften herkömmlicher Gussmaterialproben ( Abbildung 7) . Diese Ergebnisse waren die ersten, die angaben, welche Materialmodelle für die Finite-Elemente-Simulationsberechnungen verwendet werden könnten.

    Abbildung 6 Mikroskopische Aufnahme einer Materialprobe (© Mahle)

    Abbildung 6 - Mikroskopische Aufnahme einer Materialprobe (© Mahle)

    Abbildung 7 Vergleich alternativer Stärken (© Mahle)

    Abbildung 7 - Vergleich alternativer Stärken (© Mahle)


    Herstellung, Qualitätskontrolle und Testlauf

    Der Kolben wurde auf dem LMF-System TruPrint 3000 mit seinem zylindrischen Gebäuderaum mit einem Durchmesser von 300 mm hergestellt. Diese Größe des Gebäuderaums ermöglicht die gleichzeitige Herstellung von fünf Bauteilen mit einem Rohkolbendurchmesser von 104 mm. Das TruPrint 5000-System mit drei Lasern könnte die Produktivität verdreifachen.

    Die im Drucker produzierten Hochleistungskolben wurden bei Porsche, Mahle und Trumpf eingehend geprüft. Darüber hinaus verwendete Zeiss eine Vielzahl von Testmethoden: metallografische Proben, optische Mikroskopie, Röntgenspektroskopie und CT-Scans. Die gescannten Daten des Rohkolbens wurden mit den CAD-Daten verglichen, um die Abweichungen von der angegebenen Geometrie zu analysieren. Sie lagen innerhalb des Toleranzbereichs für einen gegossenen Kolben und waren daher akzeptabel. Ein weiterer wichtiger Punkt war das Innere der Kühlgalerie, da sich während des Betriebs Pulverreste oder Schweißreste lösen konnten. Dies war aufgrund des entsprechend angepassten Herstellungsprozesses auch nicht der Fall. Insbesondere mit hochauflösendem CT-Scannen, Zeiss konnte im Voraus nach Defekten wie kleinen Rissen oder Einschlüssen suchen und schließlich die Genehmigung des Kolbens für weitere Tests erteilen. Selbst kleine Defekteigenschaften wurden mit dem sogenannten Mikrodefekt-Verlaufsprozess "markiert", um sie bei Bedarf nach den ersten Tests wieder zerstörungsfrei beurteilen zu können. Abbildung 8 und Abbildung 9 . Zur Bestimmung der Porosität und Dichte wurde zusätzlich zur visuellen Bewertung metallographischer Proben die Auftriebsmethode für Kolbenproben und -abschnitte angewendet. Je niedriger der Gasgehalt ist, desto geringer ist der Auftrieb. Mit einer Dichte von über 99,5% befanden sich die Kolben auf dem gleichen Niveau wie die gegossenen Komponenten.

    Abbildung 8 Qualitätsprüfung mit Zeiss 3D ManuFACT BlueLine (© Zeiss)

    Abbildung 8 - Qualitätsprüfung mit Zeiss 3D ManuFACT BlueLine (© Zeiss)


    Abbildung 9 Kolbenanalyse mittels CT (© Zeiss)

    Abbildung 9 - Kolbenanalyse mittels CT (© Zeiss)


    Der Kolbenrohling wird dann wie ein herkömmlich hergestellter Rohling bei Mahle fertiggestellt, gemessen und getestet und muss denselben strengen Standards entsprechen. Besonderes Augenmerk wird auf den zentralen Bereich des Kolbens gelegt, der als Schürze bezeichnet wird, und auf den Punkt, an dem er mit der Pleuelstange, der Stiftnabe, verbunden ist. Die Bearbeitung des Kolbens zeigte keine Nachteile im Vergleich zum gegossenen Material M174 +, was ein großer Vorteil ist, da der Kolben im gleichen Herstellungsprozess wie der herkömmlich hergestellte Kolben bearbeitet werden kann. Der erste mechanische Test des gesamten Bauteils wurde dann in einem Pin-Boss-Bruch-Test bei Mahle gestartet. Dieser Test bestimmt die Kraft, die erforderlich ist, um die Stiftnabe abzubrechen. Die Werte lagen hier deutlich über der Spezifikation. Der zweite durchgeführte Test war der Hydropulser-Test. Dies simuliert die Belastungen des Kolbenmantels unter Verbrennungsdrücken. Der Kolben ist in einem Zylinder montiert und durch die Stiftbohrung gesichert, und die Schürze ist bis zum Versagen einer pulsierenden Last ausgesetzt. Die Anzahl der Lastzyklen lag über der erforderlichen Menge, sodass auch dieser Test bestanden wurde.

    Bei den praktischen Tests wurden sechs Kolben in den Motor des Porsche 911 GT2 RS eingebaut, und die Antriebseinheit absolvierte 200 Stunden Dauertests unter härtesten Bedingungen auf dem Prüfstand erfolgreich. Dies umfasste rund 6000 km bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 250 km / h einschließlich Tankstopps und rund 135 h bei Volllast. Der Testlauf umfasste auch 25 Stunden simulierten Überlaufmodus des Fahrzeugs. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Kolben den Test erfolgreich bestanden haben ( Abbildung 10) .

    Abbildung 10 GT2 RS Motor auf dem Prüfstand (© Porsche)

    Abbildung 10 - GT2 RS Motor auf dem Prüfstand (© Porsche)




    Ausblick für die additive Fertigung in der Automobilindustrie

    Die Projektpartner sehen in diesem erfolgreichen Kooperationsprojekt eine Bestätigung, dass sie mit der additiven Fertigung immer noch auf dem richtigen Weg sind. Dies liegt daran, dass noch einige Fragen offen waren, insbesondere hinsichtlich ihrer Eignung für Hochleistungs-Antriebsstrangkomponenten. Aufgrund der relativ hohen Kosten pro Komponente ist die additive Fertigung derzeit nur für eine geringe Anzahl von Komponenten geeignet, bei denen sonst teure Werkzeugkosten anfallen würden.

    Das Potenzial der additiven Fertigung wird auch im Bereich der elektrischen Antriebe untersucht und bewertet. So konnte Porsche das Produktpotential für einen hochintegrierten elektrischen Antriebsstrang sowie für Entwicklungsprozesse nachweisen. Durch Anwendung der neuen Konstruktionsmethoden wurde die Steifigkeit des Antriebs verdoppelt und die Masse um etwa 10% reduziert. Das Wärmemanagement wurde auch durch die Integration eines Übertragungswärmetauschers erheblich verbessert. Durch die Integration von zwölf Komponenten konnten 30 Schrauben, zwölf Dichtungen und verschiedene andere Teile eingespart werden. Dies ist nicht nur für das Paket von Vorteil, sondern auch im Hinblick auf die Reduzierung des Montageaufwands. Mit diesen Maßnahmen konnte die Herstellungszeit um fast 20 Minuten verkürzt werden. Die Verwendung von Kupfer als Material führt auch zu interessanten Konzepten, die ein großes Potenzial für Elektromotoren haben könnten.

    Trotz der massiven Weiterentwicklung der additiven Fertigungsmethoden gibt es derzeit noch Einschränkungen: Erstens die Kosten, die derzeit nur für kleine Losgrößen je nach Komponente akzeptabel sind, und zweitens die Größe der Komponente. Prozesskammern in aktuellen Systemen können noch nicht zur Herstellung größerer Komponenten verwendet werden. Die Materialpalette für Kunststoffe sowie Metalle muss weiter ausgebaut werden. Schließlich muss die additive Fertigung hinsichtlich Qualität und Reproduzierbarkeit auch kommerziell für (kurzfristige) Serienproduktionsprozesse im Automobilbereich qualifiziert sein. Diese Bewertung ist der nächste Schritt im Verbundprojekt.

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die additive Fertigung für Porsche und Mahle unternehmensweit ein großes Potenzial hat, insbesondere in den Bereichen Motorsport, Kurz- und Spezialserien, Prototyping, Aftersales sowie Ausstattung und Produktion. In naher Zukunft kann ein gewisses Potenzial ausgeschöpft werden, z. B. kürzere Herstellungszeiten für Prototypen aufgrund des Wegfalls von Produktionswerkzeugen.

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