Motoren-Bau mit 3D-Drucker: Additiv gefertigte Kolben mit Effizienz-Effekt

In einem 3D-Drucker von Trumpf additiv gefertigte Kolben von Mahle liefen versuchsweise im Motor eines Porsche 911 GT2 RS. Effizienzgewinn: über vier Prozent.

Lesezeit: 3 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht Kommentare lesen 201 Beiträge

Kolben aus dem "Drucker" ertragen mehr Druck und Hitze. Damit kann man Motoren entweder leistungsfähiger oder sparsamer machen.

(Bild: Mahle)

Von
  • Florian Pillau
Inhaltsverzeichnis

Kolben aus einem sogenannten "Drucker" sind inzwischen einsatzreif. Das zeigt ihr probeweiser Einsatz in einem Automotor, den die Konstrukteure mit herkömmlichen Kolben bis an die Grenzen der Materialbeanspruchung ausgereizt haben. Um etwa 4,29 Prozent hat Porsche nach eigenen Angaben mit additiv gefertigten Kolben von Mahle und Trumpf die Leistung eines 911 GT2 RS steigern können. Immerhin.

Ob opulente Hochleistung oder minimalistisches Downsizing – mehr Effizienz oder höhere Leistung laufen immer auf die gleichen Anforderungen hinaus. So steigen mit jeder neuen Motorengeneration Drücke und Temperaturen der Verbrennung. Der Materialstress kulminiert vor allem im Kolben.

Schichtarbeit: Mahles additiv gefertigte Kolben (13 Bilder)

Kein Gramm zu viel Material hat diese additiv von Mahle gefertigte Kolben. Er hat bereits 200 Stunden Dauerlauf, entsprechend rund 6000 Kilometer mit 250 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit einschließlich Tankstopps, rund 135 Stunden unter Volllast, simuliert auf dem Prüfstand, hinter sich. 
(Bild: Porsche)

Köpfe oder Zylinder lassen sich fast beliebig stabil konstruieren und einfach kühlen. Kolben hingegen müssen als bewegliche Bauteile möglichst leicht bleiben – Stichwort "Massenkräfte". Zugleich können sie nur wenig Wärme abgeben, weil die Kolben die Zylinder kaum berühren, sondern fast völlig (Stichwort "Gleitreibung") auf einer dünnen Ölschicht schwimmen. Effiziente Verbrennungen erzeugen aber hohe Temperaturen, die das Material des Kolbens schwächen. Die hohen Drücke bei effizientem Betrieb wiederum beanspruchen das Kolbenmaterial stärker. Eine Art Teufelskreis.

Um ihn wenigstens teilweise zu durchbrechen, werden die besonders heißen Kolbenböden von unten mit Motoröl angesprüht, das die Wärme zum Teil abführt. Das ist Stand der Technik in Dieselmotoren und war es bereits in luftgekühlten Boxermotoren wie etwa denen von Porsche 911 oder Citroën 2CV. Die Beispiele vom oberen und unteren Ende des Leistungsspektrums zeigen, dass das Thema "Effizienz" schon seit Jahrzehnten sowohl bei besonders leistungsfähigen oder möglichst sparsamen Motoren die Entwicklung vorantreibt.

Noch besser kühlt das Öl freilich im Bereich unter dem Kolbenboden hinter der Ringzone, am sogenannten Feuersteg. Dazu lässt man das Öl im Kolben in einem Kühlkanal im Kolben zirkulieren, der bei jedem Kolbenhub mit frischem, kühlem Öl befüllt wird. Eine Kühltechnik, die mit steigenden Verbrennungsdrücken ihren Weg aus den effizienten Selbstzündern in stark beanspruchte Ottomotoren gefunden hat. Trotz der gesteigerten Effizienz und neuen Konzepten wird hier Energie aus dem Kraftstoff "weggekühlt". Wärmebeständigere Kolben könnten einen noch größeren Teil davon in Bewegung umsetzen, der Verbrauch könnte weiter sinken.

Um hochbelastbare Kolben zu erhalten, können sie auch geschmiedet statt wie üblich gegossen werden. Der Schmiedevorgang verdichtet das Material und erhöht dadurch die Festigkeit des Bauteils. Erleichternde Aussparungen im Kolbenschaft können aber nur bei den fertig geschmiedeten Rohlingen nachträglich herausgefräst werden. Die Fräse erreicht bei solchen "Hinterschneidungen" weitaus nicht alle möglichen Bereiche, der Kolben bleibt also etwas schwerer. Geschmiedete Kolben mit Kühlkanal sind teuer in der Fertigung, sie beschränken sich daher weitgehend auf den Nutzfahrzeugbau. Bei geschmiedeten Aluminiumkolben muss dazu nachträglich geschweißt werden, Stahlkolben werden dann aus mehreren Teilen "gebaut".

Zwischen Materialeigenschaften, Gewicht, Form, Kosten, Fertigungsmöglichkeiten, thermischer und mechanischer Belastung bestehende Zielkonflikte stecken einen engen Rahmen für den Konstrukteur ab. Einen Leistungssprung für Kolben mit höherer Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht versprechen additiv gefertigte Kolben.