Porsche 3D-Druck: Gedruckte Kolben im 911 GT2 RS mit 730 PS

Porsche treibt die Erforschung des 3D-Drucks gezielt voran und setzt die Technologie nun erstmals bei hochbelasteten beweglichen Bauteilen wie Kolben ein. Noch handelt es sich um Prototypen, doch die ersten Prüfungen der gedruckten Kolben verliefen vielversprechend.

Für das Entwicklungsprojekt arbeitet Porsche mit Mahle und Trumpf zusammen, wobei Trumpf die Herstellungs- und Druckverfahren entwickelt. Um die Technik zu erproben, verbaute der deutsche Hersteller die Kolben im Flat-Six des „Monsters“ 911 GT2 RS.

Wozu Kolben überhaupt drucken?

Die geschmiedeten Kolben des Motors im 911 GT2 RS verbinden bereits geringes Gewicht mit hoher Festigkeit und Langlebigkeit. Diese Eigenschaften sind unverzichtbar, um den Anforderungen der versprochenen hohen Leistung standzuhalten.

Dennoch lässt sich das Konzept weiterentwickeln. Der 3D-Druck beziehungsweise die additive Fertigung in Schichten ermöglicht eine Optimierung des Kolbendesigns, insbesondere seiner Struktur: Material wird ausschliesslich an jenen Stellen eingesetzt, an denen Kräfte auf den Kolben wirken. Mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wäre eine solche Auslegung nicht erreichbar. Erst der schichtweise Aufbau im 3D-Druck eröffnet die Möglichkeit, neue Formen zu realisieren.

Diese Optimierung führt zu Gestaltungen, die eher organisch als geometrisch wirken und wie aus der Natur übernommen scheinen. Deshalb wird sie als bionisches Design bezeichnet.

Am Ende entsteht ein Bauteil mit der erforderlichen strukturellen Integrität – laut Porsche sind die gedruckten Kolben sogar fester als geschmiedete Exemplare. Da dafür jedoch weniger Material benötigt wird, fällt das Bauteil zugleich leichter aus.

10 % leichter, 300 U/min mehr, 30 PS zusätzlich

Bei den gedruckten Porsche-Kolben reduzierte die Technologie die Masse gegenüber den geschmiedeten Serienkolben des 911 GT2 RS um 10 %. Frank Ickinger aus der Porsche-Abteilung für Vorentwicklung erklärt jedoch: „Unsere Simulationen zeigen, dass ein Potenzial für Gewichtseinsparungen von bis zu 20 % besteht.“

In einem Fahrzeug ist Gewicht beziehungsweise Masse ein Gegner – und das gilt ebenso für den Motor. Weil der Kolben ein bewegtes Bauteil ist, bringt eine geringere Masse Vorteile. Weniger Gewicht bedeutet weniger Trägheit, sodass zu seiner Bewegung grundsätzlich weniger Kraft erforderlich ist.

Dadurch konnten die gedruckten Porsche-Kolben den 3,8-Liter-Biturbo-Flat-Six des 911 GT2 RS um 300 U/min höher drehen lassen als den Serienmotor. Die Spitzenleistung stieg folglich um 30 PS von 700 PS auf 730 PS.

Die Vorteile beschränken sich allerdings nicht auf das niedrigere Kolbengewicht. Wie bereits erwähnt, macht der 3D-Druck Formen möglich, die sich mit traditionellen Herstellungsverfahren nicht erzeugen lassen. Bei diesen gedruckten Kolben konnte die schichtweise Fertigung einen Kühlkanal hinter den Kolbenringen integrieren. Dieser ähnelt einem geschlossenen Rohr im Kolbeninneren und besitzt lediglich zwei Öffnungen für Zu- und Ablauf des Ölkreislaufs.

Dank dieser zusätzlichen Kühlung sank die Kolbentemperatur im Betrieb um mehr als 20 °C – genau in jenem Bereich, der den höchsten thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Durch die niedrigere Betriebstemperatur konnte Porsche auch die Verbrennung optimieren sowie Druck und Temperatur erhöhen, was die Effizienz verbesserte. Frank Ickinger sagt dazu:

„Dies ist ein gutes Beispiel dafür, dass der Verbrennungsmotor auch künftig noch Potenzial hat.“

So entstehen die gedruckten Porsche-Kolben

Die Zusammenarbeit mit Mahle – dem Entwickler und Hersteller der geschmiedeten Kolben für den 911 GT2 RS – ermöglichte die Entwicklung des Metallpulvers, das beim Druck der Kolben als „Tinte“ dient. Zum Einsatz kommt Mahles Aluminiumlegierung M174+, die auch für die geschmiedeten Kolben des 911 GT2 RS verwendet wird. Damit sind die Eigenschaften der gedruckten und der geschmiedeten Kolben vergleichbar.

Anschliessend kommt Trumpf ins Spiel, das den Produktions- und Druckprozess entwickelte. Der hochpräzise 3D-Drucker Trumpf TruPrint 3000 verschmilzt das Pulver Schicht für Schicht mithilfe des LMF-Verfahrens, der Laser Metal Fusion. Dabei schmilzt ein Laserstrahl das Pulver in Lagen mit einer Stärke von 0,02 mm bis 0,1 mm auf.

Für einen Kolben sind dabei rund 1200 Schichten erforderlich, deren Druck etwa 12 Stunden dauert.

Die Druckanlage von Trumpf kann fünf Kolben gleichzeitig herstellen. Nach einer sorgfältigen Untersuchung der gedruckten Kolben gemeinsam mit Zeiss wurde bestätigt, dass sie sich nicht von den geschmiedeten Kolben unterscheiden.

Testen, testen und nochmals testen

Nach dem Einbau in den Flat-Six des 911 GT2 RS begann die Erprobung. Auf einem Prüfstand musste der Motor einen 200-stündigen Dauerlauftest absolvieren.

Einer der zahlreichen Versuche bildete ein 24-Stunden-Rennen auf einer Hochgeschwindigkeitsstrecke nach: Der Motor „fuhr“ dabei rund 6000 km mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 250 km/h und simulierte sogar Tankstopps. Ein weiterer Test umfasste 135 Stunden unter Volllast sowie 25 Stunden bei unterschiedlichen Lastzuständen.

Das Ergebnis dieser anspruchsvollen Prüfung? Der Test wurde bestanden: Sämtliche gedruckten Kolben absolvierten ihn ohne jegliche Probleme.

Werden diese gedruckten Kolben auf den Markt kommen?

Ja, sie werden kommen, allerdings existiert noch kein konkreter Zeitplan. Die 3D-Drucktechnologie gibt es bereits seit einigen Jahrzehnten und sie wird in der Automobilindustrie vielfach eingesetzt. Ihr Potenzial wurde bislang jedoch erst oberflächlich ausgeschöpft.

Heute ist sie besonders in der Prototypenentwicklung verbreitet. Sie erlaubt es, spezielle Bauteile herzustellen und unterschiedliche Designvarianten rasch zu erproben, ohne zunächst die dafür nötigen Maschinen entwickeln zu müssen. Dadurch eröffnet sich eine ganze Welt an Möglichkeiten.

Auch Porsche verwendet diese Technologie bereits in anderen Bereichen, etwa im Motorsport und für seine Klassiker. Porsche Classic fertigt derzeit 20 Teile aus Kunststoff, Stahl und weiteren Metalllegierungen für klassische Modelle per 3D-Druck. Diese Komponenten werden nicht mehr produziert und wären auf andere Weise nicht wieder herstellbar.

Die Technologie dürfte zudem bei Sondermodellen oder Kleinserien sowie bei Optionen und Individualisierungen zum Einsatz kommen. Seit diesem Jahr ist beispielsweise für den 718 und den 911 ein Schalensitz als 3D-Druck-Option erhältlich. Diese Art der Fertigung erweist sich in solchen Fällen letztlich als wirtschaftlich und technisch interessanter.

Porsche arbeitet ausserdem daran, die Technologie langfristig in Grossserienmodellen einzusetzen. Wie langfristig? Auf Nachfrage antwortete Frank Ickinger ohne endgültige Zusage: „Mindestens 10 Jahre (2030)“. Es bleibt also abzuwarten, doch das Potenzial und der disruptive Charakter des 3D-Drucks sind unbestreitbar.