3D-Druck bringt Kunststoffmotor voran

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Im Rahmen des Polymotor 2 Projekts soll für ein Rennen im Jahr 2016 ein 4-Zylinder-Vollkunststoffmotor der nächsten Generation entstehen, der knapp 40 % leichter ist als ein vergleichbarer heutiger Serienmotor. Dabei kommen auch 3D-gedruckte Kunststoffteile aus PA6 und carbonfaserverstärktem PEEK vom Hauptmaterialsponsor Solvay zum Einsatz, die im Dauereinsatz Temperaturen bis zu 240°C verkraften.

"Wie schon beim ursprünglichen Polimotor-Konzept in den 1980er Jahren dreht sich bei Polimotor 2 alles um die Herausstellung bahnbrechender Polymertechnologien und deren Potenzial für revolutionäre Fort­schritte in der Leistungsfähigkeit und Fertigung von Kraftfahrzeugen", sagt der Projektleiter und legendäre Kfz-Innovator Matti Holtzberg, Präsident der in West Palm Beach, Florida, ansässigen Composite Castings, LLC.

"Der Luftsammler des Polimotor 2 entspricht von der Konstruktion her dem Spritzguss-Luftsammler des ursprünglichen Motors. Wir stellten allerdings fest, dass eine 3D-gedruckte Ausführung unter Einsatz der Sinterline Technyl PA6-Technologie in einem für den rauen Rennsport­betrieb ausgelegten Motor genauso zuverlässig funktioniert."

Sinterline PA6-Pulver basieren auf der gleichen Polymerchemie wie die bewährten Technyl Polyamide von Solvay, sind jedoch dafür ausgelegt, die Vorteile des 3D-Drucks für PA-Bauteile zu nutzen. Das Laser­sintern und andere 3D-Druckverfahren steigern die Produktivität, da sie eine schnelle Umsetzung digitaler Konstruktionen in Funktionsbauteile ohne den sonst erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand für Form­werkzeuge und Prototypen ermöglichen. Das kann die Markteinführung für Originalausrüster und Zulieferer signifikant beschleunigen.

Beim Lasersintern wird das Sinterline Technyl PA6-Pulver mit einem Präzisionslaser­scanner Schicht für Schicht zu einem äußerst funktionsfähigen, dreidimensionalen Fertigteil mit erhöhten mechanischen und thermischen Eigenschaften aufgebaut. Da die Teile sukzessive in Schichten gedruckt werden, lassen sich mittels Lasersintern auch schnell Komponenten mit komplexen innenliegenden Merkmalen und Funktionen realisieren.

"Als erste speziell für das Selektive Lasersintern entwickelte PA6-Pulver führen unsere Sinterline-Materialien den 3D-Druck einen Schritt weiter hin zur Umsetzung richtungsweisender Konstruktionen mit erhöhten Leistungseigenschaften annähernd auf dem Niveau spritzgegossener PA-Compounds", unterstreicht Dominique Giannotta, Sinterline Projektleiter bei Solvay Engineering Plastics. „Die Validierung dieser fort­schrittlichen Materialtechnologie im Polimotor 2-Projekt untermauert unsere aktive Innovationsarbeit und Lösungskompetenz für neue Herausforderungen im Bau von Serien- und Rennsportfahrzeugen.“

3D-gedrucktes Kraftstoffansaugrohr aus einem carbonverstärkten Polyetheretherketon (PEEK) von Solvay. Das von Arevo Labs hergestellte Bauteil für den Polimotor 2 ist eine der ersten erfolgreichen Anwendungen additiver Fertigungstechnik mit PEEK-Polymer. Foto: Solvay

Der Luftsammler im Kfz-Motor ist eine Druckkammer, die den Luftstrom vom Einlass auf die Zylinder verteilt. Der Luftsammler des Polimotor 2 hat ähnliche Spezifikationen wie die Druckkammern heutiger Serienfahrzeuge, wo sie als PA-Spritzgussteile mit 2 bis 3 mm Wanddicke einem Überdruck von 2 bis 4 bar im Inneren standhalten müssen.

Aus Sinterline Technyl PA6-Pulver gedruckte Teile bieten zuverlässige Leistung in herkömmlichen metallischen Turbomotoren, die Strahlungstemperaturen von bis zu 121°C erreichen. Es muss jedoch hervor­gehoben werden, dass der Luftsammler im Polimotor 2 dank der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der weitgehend aus Kunststoff gefertigten Motorbauteile vergleichsweise niedrigeren Temperaturen von lediglich 66 bis 93°C aus­gesetzt sein wird.

Deutlich höher sind die Temperaturen, die das ebenfalls 3D-gedruckte Krafststoffansaugrohr verkraften muss. Matti Holtzberg: "Die Ansaugrohre im ursprünglichen Polimotor bestanden aus Aluminium, doch die Automobilindustrie setzt in diesem Bereich heute fast ausschließlich auf Polyamidspritzguss. Inzwischen verändern sich die Präferenzen erneut. Kfz-Hersteller sind auf der Suche nach Alternativen wie PEEK von Solvay, um die immer höheren Temperaturen im Motorraum zu bewältigen, die der zunehmende Einbau von Turboladern und das Motor-Downsizing sowie die daraus resultierende Steigerung der spezifischen Leistung mit sich bringen."

Die sowohl in Rennsport- als auch in Serienfahrzeugen verwendeten Ansaugrohre sind üblicherweise im oben beschriebenen Luftsammler des Motors integriert – als Übergangsstück zwischen dem Zylinderkopf und der Kammer des Luftsammlers sorgt das Ansaugrohr dafür, dass Kraftstoff in den Luftstrom eingespritzt wird, wenn dieser in den Motor eintritt, was sich unmittelbar auf dessen Leistungsabgabe auswirkt.

Die Substitution des bisherigen Aluminiumrohrs durch eine PEEK-Lösung halbiert hat die Masse des Bauteils. Das speziell für den Polimotor 2 gewählte Material ist ein maßgeschneidertes Ketaspire KT‑820 PEEK mit 10 % Carbonfaserfüllung. Ketaspire PEEK zählt zu den leistungsfähigsten Polymeren von Solvay und vereint ausgezeichnete Beständigkeit gegen Kfz-Kraftstoffe mit zuverlässiger mechanischer Leistungsfähig­keit bei Dauereinsatztemperaturen bis 240 °C. Damit eignet es sich ideal für das Kraftstoffansaugrohr im Polimotor 2, das im Bereich der Kolben im Ansaugstutzen Temperaturen von bis zu 150 °C ausgesetzt ist.

Produziert wird die Anwendung im innovativen "Reinforced Filament Fusion"-Verfahren von Arevo Labs, einem Marktführer im Bereich additiver Fertigungstechnologie. Wie beim Filamentschmelzen in konventionellen 3D-Druckverfahren werden mit der Arevo-Technologie komplexe Formteile aus mehreren über- bzw. nebeneinander aufgetragenen Polymerfilamentschichten auf­gebaut.

So lassen sich digitale Konstruktionen ohne den sonst erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand für Formwerkzeuge und Prototypen schnell in funktionsfähige Bauteile umsetzen. Das "Reinforced Filament Fusion"-Verfahren des Unternehmens ermöglicht dies jedoch nun auch mit verstärkten PEEK-Kunststoffen. Zusammen mit der Prozesssteuerungssoftware von Arevo erschließt es 3D-Druckteile mit optimierten mechanischen Eigen­schaften.

"Die Zusammenführung des 3D-Drucks mit der PEEK-Polymertechnologie von Solvay in dieser Anwendung unterstreicht den zukunftweisenden Ansatz des Polimotor 2 Projekts“, sagt Brian Baleno, Global Automotive Business Manager bei Solvay Specialty Polymers. "In den 1980er Jahren, als Matti Holtzberg den ersten Polimotor entwickelte, war noch keine der beiden Technologien verfügbar. Heute, mit diesem Ansaug­rohr, wird eines der ersten additiv gefertigten Teile aus carbonfaserverstärktem PEEK Realität. Das signalisiert eine Reihe völlig neuer Möglichkeiten für Kfz-Hersteller, die leichtere und dennoch hochleistungsfähige Alternativen zu Metall suchen."

gk

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