Kolben und Zylinderkopf aus dem 3D-Drucker

19.12.2017 // Mehr Freiheitsgrade bei der Konstruktion und in deutlich kürzerer Zeit zum ersten Prototypen – 3D-Druck bietet Ingenieuren entscheidende Vorteile auf dem Weg zu besseren Produkten. Auch IAV setzt auf die neue Fertigungstechnologie: Ein neuartiger Kolben für Nutzfahrzeugmotoren und ein innovativer Zylinderkopf für einen Pkw-Motor zeigen das Potenzial des 3D-Drucks.
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Auch bei den Nutzfahrzeugen sind die Emissionen der große Treiber der technischen Entwicklung. „Vor allem der Stickoxid-Ausstoß der Dieselmotoren muss sinken“, berichtet Tom George, Projektleiter bei IAV. „Dafür müssen wir für eine bessere Vermengung des Diesel-Luft-Gemischs im Brennraum sorgen.“ Deshalb haben die IAV-Experten einen Kolben mit einer neuartigen Geometrie entworfen. Die sternförmige Kolbenmulde verfügt über Hinterschnitte, um eine verlängerte Spraylänge zu realisieren und bewirkt so eine optimierte Verbrennung mit minimalen NOx- und Ruß-Emissionen.

Neben geringeren Emissionen geht der Trend bei den Nutzfahrzeug-Motoren auch zu höheren Drücken im Brennraum, was die spezifische Leistung steigert. Um Belastungen von bis zu 300 bar verkraften zu können, haben die IAV-Konstrukteure den neuen Kolben mit einer Wabenstruktur versehen, die leicht und zugleich extrem stabil ist. Und schließlich ist er in seinem Inneren von einem innovativen Kühlsystem durchzogen, das unter anderem Natrium als Kühlmittel nutzt und die thermische Beanspruchung innerhalb der vorgegebenen Grenzen hält.

Voraussetzung für den innovativen Kolben war der Einsatz des 3D-Drucks, auch als „Additive Manufacturing“ bekannt. „Normalerweise werden Kolben aus Stahl geschmiedet oder gegossen“, so George. „Mit diesen Fertigungsverfahren hätten wir die emissionsverringernde und leichte Geometrie aber nicht realisieren können.“ Additive Manufacturing eröffnet den Konstrukteuren aber nicht nur neue Designfreiheiten – das neue Fertigungsverfahren verkürzt auch die Zeit vom fertigen CAD-Modell bis zum ersten Prototypen aus Edelstahl deutlich: „Vom CAD-Modell zum Prototypen vergehen nur zwei Wochen.“, berichtet George. „Beim Schmieden hätten wir deutlich länger Geduld haben müssen.“ Zudem liefert der 3D-Druck schon beim ersten Prototypen Serienqualität.

Das neue Fertigungsverfahren eignet sich auch für den Pkw-Bereich. „Natürlich können wir auch hier Kolben aus dem 3D-Drucker einsetzen“, sagt George. „Als ersten Demonstrator haben wir aber den Zylinderkopf für einen Einzylindermotor konstruiert, dessen Kühlkreislauf ebenfalls eine Wabenstruktur hat.“ Neben der erhöhten Festigkeit und Steifigkeit sowie dem geringen Gewicht punktet er auch mit hoher Fertigungsgenauigkeit, sowie einem deutlich geringeren Aufwand für die mechanische Nachbearbeitung.

Die neuen Komponenten werden ersten IAV-Kunden vorgestellt. Für die Serienproduktion ist der 3D-Druck derzeit allerdings noch zu teuer: „Er ist aber perfekt geeignet für Prototypen“, so George. „Außerdem sind die Kosten im Bereich Additive Manufacturing in den letzten fünf Jahren sehr stark gesunken, so dass mittelfristig auch eine Massenfertigung mit 3D-Druck denkbar ist.“