Können Sie einen individuellen Ansaugkrümmer aus Aluminium in 3D drucken?

Das meiste Metall3D-gedruckter Ansaugkrümmer aus AluminiumProjekte nutzen Laser-Pulverbettschmelzen (SLM oder L-PBF). Ein Laser schmilzt nacheinander dünne Schichten Aluminiumpulver entsprechend der CAD-Datei auf. Es ist keine Form erforderlich. Komplexe Innenkanäle und Plenums können aus einem Stück geformt werden.

Die gebräuchlichste Legierung ist AlSi10Mg. Es handelt sich um eine Aluminium-Silizium-Magnesium-Gusslegierung, die ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Bedruckbarkeit bietet. Es wird häufig für Automobil- und Luft- und Raumfahrtteile spezifiziert, die ein geringes Gewicht und eine gute Wärmeübertragung erfordern. Aus genau diesen Gründen ist der AlSi10Mg-3D-Druck für viele kundenspezifische Ansauganwendungen zum Standardverfahren geworden.

Welche Teile einer Mannigfaltigkeit sind gute Kandidaten?
Läufer mit optimierten Strömungswegen, komplexen Plenums, integrierten Montagefunktionen und internen Kanälen, die in einem herkömmlichen Gussteil nur schwer oder gar nicht zu entkernen wären, sind die stärksten Anwendungsfälle. Einfache äußere Formen mit geringer innerer Komplexität rechtfertigen den Prozess selten.

In einer Vergleichsstudie aus dem Jahr 2020 im Journal of Materials Science & Technology wurde SLM AlSi10Mg im Vergleich zu derselben durch Gießen hergestellten Legierung untersucht. Das SLM-Material zeigte eine höhere Zugfestigkeit (ungefähr 430–445 MPa gegenüber etwa 313–315 MPa für das Gussmaterial bei Raumtemperatur), aber eine geringere Dehnung. Die Ermüdungslebensdauer war geringer, da verbleibende ungeschmolzene Pulverpartikel, Oxideinschlüsse und Poren als Ausgangspunkt für Risse dienen.

In einem Artikel des MATEC Web of Conferences aus dem Jahr 2016 wurde berichtet, dass optimierte SLM-Parameter eine relative Dichte von 99,13 % erreichen könnten. Die mechanischen Eigenschaften waren unter diesen Bedingungen mit denen der Hochdruck-Druckgusslegierung A360 vergleichbar und in einigen Fällen sogar besser als diese, selbst ohne aufwändige Nachbearbeitung.

Materialdatenblätter etablierter Pulverlieferanten führen AlSi10Mg aufgrund seiner Kombination aus Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und geringer Dichte für motorbezogene Komponenten, einschließlich Ansaugkrümmer, auf.

Die Kraft ist gut, aber Poren und Müdigkeit sind die größten Probleme
Die statische Festigkeit ist selten der limitierende Faktor für einen Ansaugkrümmer. Zyklische Belastung, Vibration und langfristige Ermüdungsbeständigkeit sind wichtiger. Restporosität und oberflächenbedingte Defekte können die Ermüdungslebensdauer verkürzen. Eine ordnungsgemäße Prozesskontrolle, Dichteprüfung und Wärmebehandlung sind unerlässlich.

Drei Qualitätsfragen, die wir immer empfehlen:

Welche relative Dichte erreichen Sie konstant und wie wird sie gemessen?

Welcher Wärmebehandlungszyklus wird angewendet – Spannungsabbau, Alterung oder beides?

Führen Sie CT-Scans, Drucktests oder beides auf den kritischen Flusswegen durch?

Bei unseren Konstruktionen haben wir gesehen, dass die Überprüfung der Dichte und die richtige Wärmebehandlung einen größeren Einfluss auf die Langzeitzuverlässigkeit haben als die aufgedruckten Zugzahlen allein.

Da keine Werkzeuge zur Verfügung stehen, können Design-Iterationen innerhalb von Tagen statt in Wochen erfolgen. Die interne Strömungsgeometrie kann ohne Einschränkungen durch Kerne und Formschrägen optimiert werden. Elemente, die normalerweise geschweißt oder zusammengebaut werden müssten, können in einem Stück gedruckt werden.

Gewichtsreduktion ist ein weiterer praktischer Gewinn. Im FEV-LeiMot-Projekt sparte ein durch additive Fertigung hergestellter AlSi10Mg-Zylinderkopf 2,3 kg (22 %) im Vergleich zum herkömmlichen Guss ein, und die Hauptmotorkomponenten waren zusammen etwa 21 % leichter. Kürzlich zeigten Nikon SLM Solutions und Bosch einen kompletten einteiligen V8-Motorblock, der in AlSi10Mg gedruckt wurde, und bewiesen damit, dass große, komplexe Aluminium-Antriebsstrangteile jetzt auf produktionsfähigen Maschinen realisierbar sind.

Ein Kunde benötigte eine kleine Charge leistungsstarker Ansaugkrümmer mit überarbeiteter Ansaugkanalgeometrie. Die Gusswerkzeuge waren für die geplanten Designschleifen zu langsam und zu kostspielig.

Wir richteten das Teil so aus, dass die Unterstützung so weit wie möglich aus den kritischen Strömungswegen herausgehalten wurde, kontrollierten die Platzierung der Unterstützung sorgfältig, führten eine spannungsmindernde Wärmebehandlung durch und bearbeiteten die Dichtungsflächen und Montageschnittstellen CNC-bearbeitet, um die Endtoleranz einzuhalten. Dichte- und Dimensionsprüfungen wurden abgeschlossen, bevor die Teile verschickt wurden. Die Verteiler erfüllten die erforderliche Durchfluss- und Dichtungsleistung und kamen schneller an, als dies mit herkömmlichen Werkzeugen möglich gewesen wäre.

Diese Reihenfolge – Druckausrichtung, kontrollierte Stützen, Wärmebehandlung, dann CNC-Bearbeitung der Dichtflächen – ist die Standardmethode, mit der wir einen 3D-gedruckten Ansaugkrümmer aus Aluminium handhaben, wenn die Komplexität der Geometrie und der Zeitplan wichtiger sind als die Kosten für große Stückzahlen.

Bei Großserienfahrzeugen, bei denen die Kosten pro Teil dominieren, ist konventioneller Guss immer noch wirtschaftlicher, sobald die Werkzeugkosten bezahlt sind.

Dichtflächen, kritische Gewinde und Präzisionsmontageflächen erfordern nach dem Druck fast immer eine CNC-Bearbeitung. Eine reine Druckerei kann keinen einbaufertigen Verteiler liefern. Suchen Sie nach einemAluminium 3D-Druck eine Fabrik, die sowohl den additiven Schritt als auch die erforderliche Bearbeitung unter einem Dach abwickeln kann.

Polymer- oder kohlefaserverstärkte Nylonkrümmer können noch leichter sein und wurden in einigen Rennprototypen verwendet. Sie eignen sich für bestimmte Renn- oder Kurzzeit-Prototypenumgebungen, haben jedoch im Vergleich zu Aluminium andere Temperatur- und Langzeitbeständigkeitsgrenzen. Bei kontinuierlicher Motorwärme sind sie kein direkter Ersatz.

Stellen Sie diese fünf Fragen:

Können Sie Materialzertifikate und gemessene Dichte- oder Porositätsdaten für den jeweiligen Bau liefern?

Führen Sie eine hausinterne Wärmebehandlung (Stressabbau oder Alterung) durch?

Können Sie Dichtflächen, Anschlüsse und Montagemerkmale nach dem Drucken CNC-bearbeiten?

Welche Inspektionsmethoden stehen zur Verfügung – CT-Scannen, Druckprüfung, Maßberichte?

Was sind realistische Lieferzeiten und Mindestmengen für Prototypen und Kleinserien?

Ein kompetenter Hersteller von kundenspezifischen Ansaugkrümmern oder ein Lieferant von Ansaugkrümmern für kleine Serien wird Ihnen eine klare Antwort geben und Prozessnachweise vorlegen können. Ein OEM-Partner für den 3D-Druck von Ansaugkrümmern sollte auch Erfahrung mit der Dokumentation und Rückverfolgbarkeit in der Automobilindustrie nachweisen. Dokumentierte Qualitätssysteme und Prozesskontrollen geben zusätzliche Sicherheit, dass vom ersten Prototyp bis zur nächsten Kleinserie die gleichen Standards gelten.

Wie viel ein 3D-gedruckter Ansaugkrümmer kostet, hängt vom Teilevolumen (Bauhöhe und Pulververbrauch), dem Volumen der Stützstruktur, der Nachbearbeitung (Wärmebehandlung, Bearbeitung, Oberflächenveredelung) und der Menge ab. Größere oder stark unterstützte Teile kosten mehr pro Stück. Die Vorlaufzeiten für Prototypen werden in der Regel in Tagen bis einigen Wochen gemessen, sobald die Datei fertig ist – normalerweise deutlich kürzer als eine Werkzeugroute. Kleine Produktionschargen folgen demselben Prozess mit weniger Iterationen.

Für eine genaue Preisfestlegung sind das CAD-Modell und die Spezifikation erforderlich. Die Hauptkostentreiber bleiben Geometriekomplexität, erforderliche Nachbearbeitung und Auftragsvolumen.

Ein gut ausgeführter 3D-gedruckter Ansaugkrümmer aus Aluminium löst die Probleme mit der Werkzeugverzögerung und der Designflexibilität, die beim herkömmlichen Guss bei kundenspezifischen Arbeiten und Kleinserien entstehen. Der Erfolg hängt von der Auswahl der richtigen Legierung, der Kontrolle der Dichte und der Nachbearbeitung sowie der Zusammenarbeit mit einer Werkstatt ab, die die kritischen Oberflächen bearbeiten kann.