3D-Druck des Nockenwellendeckels, eine Einführung
Der 3D-Druck des Nockenwellendeckels für den Ilmor-Motor stellt sowohl für die additive Fertigung als auch für den Motorsport eine Innovation dar.
Neben den zahlreichen nicht-strukturellen Teilen, die aus Windform® XT hergestellt werden und im Ilmor-Motor zu finden sind, stellt das Innovationsprojekt von 2007 einen echten Durchbruch bei der Entwicklung von Rennmotoren dar.
Sollte sich diese außergewöhnliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit auch unter längeren Betriebsbedingungen als erfolgreich erweisen, wird die Zukunft des Motorsports und der Fahrwerksentwicklung sicherlich neue und interessante Entwicklungszeiten, Kosten und Leistungen mit sich bringen.
Die neue Herausforderung betrifft die Optimierung des Nockenwellendeckels des neuen Ilmor-Motors, der für den Einsatz bei den MotoGP-Rennen 2007 bestimmt war.
Der Nockenwellendeckel ist das Bauteil, das die Nockenwellenlager trägt (Nockenwellensitze, die Nockenwelle läuft in der Regel mit ca. 19.000 U/min) und direkt auf dem Zylinderkopf des 800 cm3 4-Takt-Motors montiert ist.
Das Schmieröl befindet sich ebenfalls in der Abdeckung.
Die durchschnittliche Betriebstemperatur liegt bei 130-140 °C.
Mit diesem Projekt werden folgende Verbesserungen angestrebt:
- Leichtigkeit (der Motorkopfabdeckung. Da sie oben auf dem Motor sitzt, führt jedes eingesparte Gramm zu einem besseren Handling des Motorrads, da der Schwerpunkt gesenkt wird) -31 %
- Zuverlässigkeit
- Schnelle Änderungen und Produktion (mit der Möglichkeit, einige Besonderheiten des Teils während der Saison zu ändern)
Nockenwellendeckel für Motorradmotoren
Die kritischsten Aspekte des Nockenwellendeckels des Motorradmotors sind die Zentrierung und die Beibehaltung seiner Position auf den Sitzen sowie die Ölmenge.
Seine Leistung ist von größter Bedeutung für die Reduzierung von Gewicht, Produktionszeit und Kosten.
Dieses Bauteil wird in der Regel aus dem Vollen gefräst oder gegossen und dann maschinell bearbeitet: Seine Grenzen liegen zweifellos in den langen Vorlaufzeiten.
Ziel ist es, die Technologie und die Anwendung des Lasersinterns auf neue Bauteile auszudehnen, indem es mit herkömmlichen Metallen kombiniert wird, was die Herstellung eines gesinterten Verbundwerkstoffs ermöglicht (in diesem Sinn kann auch „Stahlbeton“ als Verbundwerkstoff betrachtet werden).
Die Vorteile dieses innovativen Verfahrens liegen vor allem in seiner Vielseitigkeit und Schnelligkeit, während seine Grenzen in den mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs liegen können, die denen einiger Metalllegierungen oder von laminiertem Kohlenstoff unterlegen sind. Mit gezielten Studien für die verschiedenen Anwendungen soll der Einsatz dieser Technik weiter verbreitet werden.
Natürlich werden die Kosten immer berücksichtigt, und es wird angestrebt, diese Technik überall dort einzuführen, wo sie zu einer Verringerung von Kosten, Gewicht und Produktionszeit führen kann.
Ziel
Während des Treffens mit Ilmor wurden die Ziele des Projekts wie folgt definiert: Optimierung und Leistungssteigerung des Nockenwellendeckels des Motors.
Es wurden verschiedene Ziele verfolgt:
- Weitestgehender Verzicht auf die Bearbeitung von metallischen Werkstoffen, Ersatz aller Teile, die keine starke mechanische Verbindung haben und weniger beansprucht werden, durch Windform® XT
- Gewichtsreduzierung unter Beibehaltung der strukturellen Eigenschaften des Teils
- Reduzierung der Eingriffe an den bearbeiteten Teilen, indem fast ausschließlich das Drahtschneideverfahren verwendet und die Fräsbearbeitung minimiert wird
Nach einigen Zwischenschritten, um die wichtigsten Grenzen des Vorhabens abzuschätzen, wurde ein Ergebnis erzielt, das dann optimiert wurde, um den besten Kompromiss zwischen den drei Ausgangspunkten zu gewährleisten.
Daher wurde sowohl bei dem Projekt als auch beim process engineering des Teils viel Arbeit geleistet, wobei die Arbeitsbedingungen und die Belastungen, denen es ausgesetzt ist, berücksichtigt wurden, da die Nockenwelle in der Regel eine Drehzahl von etwa 19.000 U/min aufweist.
Das Ergebnis
Das Ergebnis ist ein besonderer Verbundwerkstoff, bei dem die verschiedenen Materialien eine bestimmte Funktion oder strukturelle Aufgabe haben.
Um einen Hauptrahmen aus einer Metall-Keramik-Matrix (Aluminium MMC) wurde eine Schale aus kohlefaserverstärktem Windform® XT geschaffen. Die Schale ist also das Ergebnis des Pulversinterns unter Verwendung eines von CRP entwickelten Hochleistungswerkstoffs, der innerhalb weniger Stunden direkt aus einem mathematischen Modell hergestellt wurde.
Die wichtigsten Teile (Nockenwellensitze) wurden durch eine Reihe von einfachen Schneid- und Bohrvorgängen hergestellt, während der Prototyp der Schale eine komplexe Form aufweist. Da die Schale durch selektives Lasersintern hergestellt wird, kann jede komplexe Form ohne die Probleme von Hinterschneidungen (eine typische Einschränkung von CNC-Bearbeitungsverfahren) oder Stützen (eine typische Einschränkung anderer Rapid-Prototyping-Technologien) erreicht werden.
Die Sitze der Welle wurden daher aus MMC (Metallmatrix-Verbundwerkstoffe) gefertigt, um weitere Gewichtseinsparungen, höhere Steifigkeit sowie außergewöhnliche Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erzielen.
Der in der Industrie am häufigsten verwendete Standard ist AMC225xe. Dabei handelt es sich um eine Aluminiumlegierung AA2124, die mit Siliziumkarbidpartikeln von typischerweise 2 bis 3 Mikrometern Größe und einem Volumenanteil von 25 % verstärkt ist. Das Material ist vielseitig einsetzbar. Es kann mit Werkzeugmaschinen direkt aus HIPpata-Knüppeln, Schmiedestücken und Strangpressprofilen bearbeitet werden. Wie alle Materialien, die Siliziumkarbid enthalten, ist dieses Material sehr abrasiv und erfordert den Einsatz von PKD-Werkzeugen. Es kann auch drahtgeschnitten werden, wozu CRP zwei Charmilles-Maschinen einsetzt.
Dann wird alles auf einer speziellen Maske zusammengebaut, wobei hochleistungsfähige Klebstoffe verwendet werden, die für starke Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurden und deren Zusammensetzung und Eigenschaften streng vertraulich sind.
Um besser zu verstehen, warum die Herstellung dieses Verbundelements, bei dem ein Teil aus Windform XT und ein anderes aus AMC MMC besteht, so vertraulich und interessant ist, ist es wichtig, die Schwierigkeiten bei der Verklebung zu erläutern, mit denen seit jeher alle Techniker konfrontiert sind, wenn die beiden zu verbindenden Materialien Aluminium und Kohlenstoff sind.
Die klassischen Kohlenstofffasern und die Aluminiumlegierungen, die miteinander in Berührung kommen, bilden einen „Stapel“, d.h. sie führen zu „galvanischer Korrosion“, insbesondere in einer feuchten und salzhaltigen Umgebung (z.B. in Sportbooten).
Natürlich gibt es in der Atmosphäre immer eine gewisse Menge an Feuchtigkeit, die ausreicht, um das „Ausblühen“ des Aluminiums zu erzeugen, wodurch sich Risse bilden können, die die Leistungsfähigkeit des Materials beeinträchtigen.
Darüber hinaus machen die thermischen Verformungen die Verbindung in der Regel fast unmöglich. Während gewalzter Kohlenstoff einen sehr niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE, coefficent thermal expansion) hat, dehnen sich Aluminiumlegierungen bei Wärme viel stärker aus. Eine Legierung, die traditionell für Hightech-Anwendungen verwendet wird, ist Al 2024, das bei etwa 20 °C einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 23,2 μm/m°C hat, was bedeutet, dass ein Meter Material, der von 20 auf 100 °C (ΔT = 80 °C) gebracht wird, eine Verformung von etwa 1,85 mm erfährt (23,2 × 80 = 1850 μm = 1,85 mm), während Kohlenstoff mehr oder weniger gleich bleibt.
Bei der Analyse der beiden Werkstoffe zeigt sich, dass Kohlenstoff das steifere und widerstandsfähigere Material ist. Er verformt sich nicht und hat den Effekt, dass er auf die Verklebung „drückt“, die brechen und sich von der Legierung lösen kann. Die verwendeten Klebstoffe sind in der Regel recht steif.
Eine Lösung für die galvanische Korrosion könnte daher darin bestehen, das Metallteil zunächst mit Glasfaser und dann mit Kohlenstoff zu laminieren. Die Glasfaser fungiert als Schnittstelle und verhindert den Kontakt zwischen den beiden Enden des „Stapels“, dem Kohlenstoff und dem Aluminium.
Leider beseitigt diese Lösung bei Teilen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, nicht das Problem der Wärmeausdehnung.
Während bis vor kurzem das direkte Auflaminieren von Kohlenstoff auf das Metallteil (oder mit Glaszwischenlage) verwendet wurde, ist die bevorzugte Lösung derzeit das Auflaminieren von Kohlenstoff auf eine Form. Anschließend werden der Metalleinsatz und das Gehäuse gefräst und die Komponenten miteinander verklebt. Dazwischen wird eine Klebstoffschicht aufgetragen, die wie ein Isolator wirkt. Wenn der verwendete Klebstoff jedoch starr ist, bleibt das Problem der hohen Temperaturen bestehen.
Um dieses Problem zu lösen, wurden in jüngster Zeit detaillierte Forschungen über Klebstoffe für extreme Anwendungen durchgeführt, mit dem Ziel, ihre Elastizität zu maximieren und so eine optimale Haftung zu gewährleisten.
Es besteht kein Zweifel, dass die beste Verbindung nach wie vor die zwischen Kohlenstoff- und Titanlegierungen ist, wo das Problem der galvanischen Korrosion begrenzt ist und die Ausdehnungskoeffizienten am nächsten liegen. Das Ti 6Al4V hat einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8,6 µm/m°C: Um das vorherige Beispiel aufzugreifen, ergibt sich auf einem Meter mit ΔT = 80 °C eine Längenänderung von 0,68 mm (8,6 × 80 = 680 μm = 0,68 mm), zweifellos weniger als bei Aluminium.
Das MMC AMC225xe liegt genau in der Mitte zwischen Aluminium und Titan. Es hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 15,5 µm/m°C und damit auf 1 Meter bei einem ΔT von 80 °C eine Verlängerung von 1,2 mm (15,5 * 80 = 1200=1,2 mm). Mit speziellen, elastischen Klebstoffen ist es also möglich, weniger Probleme zu haben als mit reinen Aluminiumlegierungen.
In diesem speziellen Fall wurde die Situation verbessert: Windform® XT hat einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, aber da es ein „weicheres“ Material ist, dehnt es sich aus und verformt sich, wodurch der Druck auf die Klebestelle verringert wird, während der Kohlenstoff selbst dem Druck des Aluminiums entgegenwirkt. Da nur die Stützen aus MMC hergestellt wurden und daher bei gleichem Gewicht der Aluminiumlegierung steifer und widerstandsfähiger sind, ist der Dehnungsunterschied zwischen den beiden Komponenten geringer, sie sind kompatibler und die Verklebung scheint keine großen Probleme zu bereiten. Was das Problem der galvanischen Korrosion betrifft, so erzeugt Windform® XT, da es eine starke Polyamidkomponente und weniger Kohlenstoff enthält, bei Kontakt mit dem MMC geringere Potenzialunterschiede als laminierter Kohlenstoff, so dass das Problem nicht mehr besteht.
Darüber hinaus wurden drei weitere Versionen untersucht, eine davon mit einer anderen Aluminiumlegierung anstelle von MMC (natürlich zusätzlich zu Windform® XT), und es scheint, dass dies mit einigen zusätzlichen Behandlungen funktionieren könnte. Dies ist jedoch eine sehr neue Entwicklung, die noch streng vertraulich ist. MMC eignet sich möglicherweise nicht sehr gut für Nocken, gegen die es läuft, und es könnten einige zusätzliche Verfahren erforderlich sein.
Daraus folgt, dass alles mit der gestalterischen Qualität der additiven Fertigung zusammenhängt, die in Verbindung mit einem Team mit umfassendem Know-how sowohl im Hinblick auf die Materialien als auch den Konstruktions- und Designtechnologien die Entwicklung eines sehr leistungsstarken Produkts ermöglicht, sogar mit mehreren Evolutionsschritten und ohne die anfangs angenommenen Investitionen und Kosten zu stark zu erhöhen.“
Dies ist die typische Arbeitsweise von Unternehmen, die aus der Formel 1 kommen: Ihre DNA muss anders sein, um die besten Konstrukteure und deren Bedürfnisse zu unterstützen. Daher ist eine perfekte Kenntnis der Bedürfnisse des Teams erforderlich, bevor man überhaupt die Anfragen erhält. Man muss in einem Tausendstel der typischen Produktionszeit handeln; es gibt keine Zeit, um Fehler zu machen und verlorene Zeit aufzuholen, ständige Innovation und Leidenschaft sind gefragt. Deshalb nennt man es „die Nische des Motorsports“: nur wenige schaffen es, Schritt zu halten.
Das Projekt wurde entwickelt von:
Ing. Gabriele Tredozi, ehemaliger Technischer Leiter für Spezialprojekte von CRP Racing und ehemaliger Technischer Leiter von Minardi F1 und der Scuderia Toro Rosso.
Ing. Ian Watson, Senior Designer bei Ilmor
Ing. Franco Cevolini, Technischer Leiter von CRP Technology