Carbon im Porsche – dank 3D-Druck

Champion Motorsport ist eine Autosport-Legende mit einem Sieg beim angesehenen 24-Stundenrennen von Le Mans und fünf Siegen in Folge bei den American Le Mans Series, Kategorie LMP1: zwei als Privatteam und drei als Werksteam für Audi Sport Nordamerika. Im letzten Jahrzehnt nutzte das Unternehmen sein Know-how für eine Serie von leistungsfähigen Zubehörkomponenten für Porsche.

Ein Beispiel ist Champions Turbo-Ansaugkanal aus Kohlefaser-verstärktem Kunststoff (CFK) im Porsche 997 Turbo. Die Konstruktion aus Carbonfaser ermöglichte es Champion, die Innenmaße zu vergrößern und den Außendurchmesser des Kanals gemäß den Werksangaben zu belassen. Das Ergebnis war eine verbesserte Luftströmung durch den Kanal und letztendlich eine verbesserte Motorleistung. Das neue Design ist zudem leichter als das Originalbauteil, was die Gesamtleistung weiter erhöht.

„Die Herstellung komplizierter röhrenförmiger Verbundteile wie ein Turbo-Ansaugkanal ist eine Herausforderung,” sagt Chis Lyew, leitender Maschinenbauingenieur von Champion Motorsport. „Die Leistung des Fahrzeugs hängt von einer glatten Innenfläche ab, während der Kunde ein ansprechendes Äußeres erwartet. Das Bauteil muss außerdem sehr robust sein und ein Autoleben lang halten.”

Sowohl innen als auch außen eine glatte Oberfläche zu erreichen, ist bei röhrenförmigen Elementen aus Verbundmaterialien mit konventionellen Fertigungsverfahren fast unmöglich: Wird das Bauteil an einem Stück gefertigt, können Teile des Kerns in der Röhre verbleiben, wenn dieser nicht aus einem ablösbaren Material wie etwa Kernsand besteht (der aber nicht zu einer glatten Oberfläche führt). Die Alternative besteht im Fertigen der Röhre aus zwei Hälften. Nachteilig dabei ist, dass die Hälften nach dem Gießen verbunden werden müssen und die fertige Komponente nicht so robust ist wie ein Bauteil aus einem Stück. In beiden Fällen lässt sich eine gute Oberflächenbeschaffenheit nur auf einer Seite des Bauteils erreichen.

Champion hatte über Jahre vielerlei Methoden zur Herstellung von Ansaugkanälen ausprobiert, aber keine war in der Lage, ein nahtloses Bauteil mit hochwertiger Oberflächenbeschaffenheit auf der Innen- und Außenseite zu produzieren. Bis dahin setzte Champion Motorsport sein Fortus 3D-Produktionssystem von Stratasys hauptsächlich für Konzeptstudien und funktionelle Prototypen im Designprozess ein. Später erkannten die Rennsportspezialisten jedoch eine ideale Lösung für das Fertigen von Hochleistungs-Turbo-Ansaugkanälen in löslichen Kernen, die mit FDM hergestellt wurden, also mit solchen Fortus-Anlagen. Darüber hinaus eignet sich die Methode mit den FDM-Kernen auch für eine Vielzahl weiterer Röhren und Leitungen im Porschemotor.

Champion konnte seine Kanäle jetzt durch Auftragen von Kohlefaser auf einen mit FDM gedruckten, löslichen Kern an einem Stück herstellen (FDM = Fused Deposition Modeling). Durch die kombinierte Composite-Fertigung mit einem löslichen Kern und einer zweischaligen Gussform ließ sich eine erstklassige Oberflächenbeschaffenheit erzielen. Nach dem Aushärten des Verbundwerkstoffs konnte dieser Kern ohne Probleme in einem Lösungsbad entfernt werden.

Ergebnisse: Die FDM-Technologie konnte die Leistungsfähigkeit des Kohlefaserbauteils verbessern. Darüber hinaus wurde ein zuverlässiger automatisierter Produktionsablauf mit verringerten Qualitätsschwankungen und verbessertem Ertrag realisiert. „Wir beobachten erhebliche Qualitätsverbesserungen bei unseren Turbo-Ansaugkanälen und anderen Zubehörkomponten aus Carbon, seit wir diese mit löslichen FDM-Kernen fertigen”, sagt Chris Lyew von Champion Motorsport. „Es ist jetzt möglich, den Ansaugkanal in einem Stück zu formen, das ist viel stabiler als das Zusammenfügen der Einzelteile. Die löslichen FDM-Kerne sind identisch und damit bleibt die Innenfläche des Kanals immer gleich.”

Lösliche FDM-Kerne haben langjährige Beschränkungen sprichwörtlich aufgelöst. Mit Worten von Lyew: „Mit löslichen Kernen kann ich Komponenten entwerfen, an die ich mich früher nicht herangewagt hätte.“ Und auch Louis Milone, Technischer Direktor von Champion Motorsport, zieht ein positives Fazit: „Die Technologie birgt für uns keinerlei Nachteile.” (os) •