Der 3D-Druck und der Motorenbau

Wohl kaum ein Verkehrsmittel bestimmt unseren Alltag so sehr wie das Auto. Nutzfahrzeug, Statussymbol, Transportmittel… Seine Anwendungsbereiche sind universal.

Doch wir möchten hier nicht über das ganze Auto sprechen, sondern nur über die Komponenten, die es bewegen. Den Sie sind nicht nur die entscheidenden Bauteile, die die Bewegung von A nach B ermöglichen, sondern stehen auch zunehmen in der Kritik und der Verantwortung Autos zu Klimaschändern zu machen: die Motorenkomponenten.

Im Vergleich zum Benz-Patent-Motorwagen Nummer 3 mit dem Bertha Benz und ihre zwei Söhne 1888 in sage und schreibe 12 Stunden und 57 Minuten von Mannheim nach Pforzheim fuhr, sind heutige Automobile wahre Klimaschützer. Das ist auch nicht weiter verwunderlich, wenn man die Anzahl an Innovationen, Entwicklungen und gewonnenem technischem Know-how der vergangenen 132 Jahre anschaut. Während der legendäre Wagen der Gattin Benz bei einer Höchstgeschwindigkeit von ca 16 km/h rund 10 Liter Benzin auf 100 Kilometer verbrauchte, verlassen moderne, hybride Supersportwagen heute mit bis zu 350 km/h und einem durchschnittlichen Verbrauch von 8,3 Litern auf 100 km die Verkaufshäuser. Um vielleicht nicht nur die extremsten Modellvarianten des Autos zu nennen, 1999 schaffte es VW mit ihrem Lupo die 3 Liter Marke auf 100 km zu knacken.

Zurückzuführen ist sind diese Fortschritte auf die kontinuierliche Weiterentwicklung der Motorenkomponenten. Dabei sind Ingenieure und Entwickler aber auch immer auf die Werkzeuge und Technologien ihrer Zeit angewiesen. Da Motorenkomponenten weitestgehend über den Metallguss hergestellt werden, haben entsprechend formgebende Verfahren wie der klassische Formen- und Modellbau und der Kernschuss die Entwicklung und Herstellung von Metallbauteilen geprägt. Heuten stehen den Tüftlern und Denkern der Automobilszene jedoch neuartige Technologien zur Verfügung. Darunter auch die additive Fertigung, bzw. der 3D-Druck.

Revolution in Schichten

Eine der vielen besonderen Eigenschaften des 3D-Drucks ist die Werkzeuglose Fertigung. Sprich das Herstellen von Formen, Modellen, Prototypen, Einzelstücken oder Ersatzteilen ohne die enorme zeit- und kostenaufwändige Konstruktion von Spezialwerkzeugen.

Gleichzeitig bietet der 3D-Druck beispiellose Geometriefreiheit bei der Optimierung, und Weiterentwicklung von Bauteilen. Während Hinterschnitte, Hohlräume, Kühlkanäle etc. mit konventionellen Herstellungsmethoden nur begrenzt oder gar nicht realisiert werden können, spielen solche Designaspekte im 3D-Druck keine Rolle. Durch den Schichtweisen Aufbau lassen sich so gut wie alle Geometrien digital und analog herstellen. Diese geometrische Freiheit ist es auch, die der Automobilindustrie neue Türen öffnet die folgenden Beispiele verdeutlichen:

Rennsport-Sauganlage aus dem 3D-Drucker

Klassischerweise sitzt eine Motor-Sauganlage auf dem Motorblock eines Fahrzeuges auf. Ihre Aufgabe ist, es Umgebungsluft anzusaugen und in die Zylinder des Motors zu leiten. Die Leistung und Effizienz dieses Motors hängt stark von der Qualität der Luftbefüllung ab. In diese, Fall ging es um die Neuentwicklung einer Sauganlage für einen 8-Zylindrigen Rennmotor. Das Problem lag zunächst in den vielen Hinterschneidungen und benötigten Kernen, die für einen Abguss hätten, benötigt werden müssen. Durch den Einsatz des Binder Jetting 3D-Drucks konnte die Form jedoch in fünf verschiedene Teile aufgebrochen werden. Ein Oberkasten, ein Unterkasten und lediglich drei Kerne. Nach erfolgreichem Testen wurde das Design finalisiert und freigegeben. Heute entspricht das getestete Formdesign einer Serienlösung.

Kupplungsglocke mittels 3D-Druck

Ein weiteres Beispiel stellt diese Kupplungsglocke, die in Kooperation mit dem Automotive-Spezialisten Koncast aus dem unterfränkischen Weilbach realisiert wurde, dar. Hier stellten besonders dünne Wandstärken eine Problematik dar. Sandformen für Gussteile mit einer besonders geringen Schichtstärke von beispielsweise 0,15 mm herzustellen, ist für den Sandformenbau eine große Herausforderung.

Um die extrem geringe Schichtstärke der Sandform und eine gute Oberflächenqualität des Gussteiles zu erreichen, verwendeten die voxeljet Experten einen standardisierten Sand der Qualität GS14 und einer mittleren Korngröße von 140 µm. Nach nur fünf Tagen standen Koncast die Formen für den Abguss bereit zur Verfügung. Das Gussteil wurde in der Legierung G-AlSi8Cu3 im normalen Fertigungsablauf bei einer Ofentemperatur von 790°C und einer Gießtemperatur von ca. 760°C gegossen. Die Nachbehandlung erfolgte in der Strahlanlage mit Stahlkugeln. Insgesamt entstand eine Kupplungsglocke mit nahezu serienidentischen Eigenschaften. Auch hier erzielte Koncast enorme Zeit- und Kostenvorteile, da durch das werkzeuglose und automatische 3D-Druckverfahren kein sonst üblicher Werkzeugbau stattfand. Die Kupplungsglocke wurde für einen Prototyp einer Fahrzeugkupplung verwendet. Ihre Abmessungen betragen 465 mm x 390 mm x 175 mm bei einem Gewicht von 7,6 kg.

Ich war wirklich erstaunt, wie problemlos der Prozess von statten ging und wie gut die Oberfläche der Kupplungsglocke am Ende aussah.

Georg Rudolf, GeschäftsführerKoncast

Der 3D-Druck bietet einige Vorteile, wenn es darum geht, Zeit und Kosten zu sparen. Doch was ist mit den Hochkomplexen Wassermantelkernen

Ein Wassermantelkern im Sandguss ist im Rahmen der Kernkonstruktion eine Herausforderung. Die komplexe Geometrie und die filigranen Elemente sind kein Problem für die meist uneingeschränkte Geometriefreiheit und die Präzision des 3D-Drucks. In einem Produktionsschritt können verschiedene Geometrien rasch umgesetzt werden.

Rapid Manufacturing von Turbolader-Prototypen

Schnelle und gleichzeitig umweltfreundliche Autos sind der Traum vieler Autofahrer. Moderne Verbrennungsmotoren mit Turbolader lassen diesen Traum ein Stück Wirklichkeit werden. Sie sind der Schlüssel zur Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Verbrauchs- und damit CO2-Reduzierung während aufgeladene Dieselmotoren der Standard sind, erleben Turbolader auch bei Ottomotoren ihre Renaissance. Das Ziel ist, kleinere Motoren mit weniger Hubraum aber zusätzlichem Turbolader zu bauen. Damit können sie die gleiche Motorleistung wie großvolumiger Saugmotoren bieten. Die Leistungssteigerung resultiert zum Teil aus mehrstufigen Aufladungen mit der Abgasenergie.

Soll der Turbolader mit der maximalen Effizienz arbeiten, muss er über die optimale Geometrie verfügen. Entwickler können die Form mit modernen Konstruktions- und Simulationstools relativ genau bestimmen. Doch letztendlich müssen die daraus gewonnenen Ergebnisse am realen Bauteil getestet und optimiert werden. Dazu benötigen die Experten möglichst seriennahe Prototypen, die im Serienwerkstoff gegossen sind.

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