Werkstoffe 20.08.1999, 17:22 Uhr

Turbolader-Prototyp besteht den seriennahen Härtetest

Denn mit dieser Variante des Prototyping lassen sich jetzt auch harte Lastfälle nahe den Betriebsbedingungen am Testmodell durchspielen.

Effektives „Time-to-Market“ ist für Dipl.-Ing Jörg Jennes ein Schlüsselbegriff und „im Prinzip der entscheidende Grund für mein Dasein an diesem Platz“. Als CAD/CAM-Manager ist er beim Turbolader-Hersteller 3K Warner in Frankenthal zuständig für den optimalen Einsatz computergestützter Tools zur Entwicklung neuer Abgasturbolader für Dieselmotoren. Seine Firma fertigt im Jahr rund 1,5 Mio. dieser hochwertigen Baugruppen, die mit rauhesten Einsatzbedingungen zurechtkommen müssen: Im Einsatz erreichen sie Drehzahlen von 200 000 U/min bei Abgastemperaturen bis über 1000 °C. Zudem kann der Betriebsdruck mehr als 3,5 bar erreichen.
„Natürlich setzen wir bei unserer Arbeit auf moderne CAD-Software“, betont Jörg Jennes, doch komme es angesichts der ständigen Variantenkonstruktionen darauf an, hierbei die richtige Strategie zu fahren: „CAD nutzt den Entwicklern gar nichts, wenn sie nicht gleichzeitig auch die richtige Baustrategie wählen“. Wenn etwa bei verwickelten Freiflächenobjekten die Flanschbohrungen auf die Mitte eines einflutigen Einlaßkanals bezogen wurden, falle die gesamte Konstruktion beim Wechsel zu einer zweiflutigen Ausführung an dieser Stelle regelrecht auseinander.

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Time-to-Market wird von den Entwicklern verkürzt

Entscheidend sei daher die richtige Strategie bei der Wahl des inneren Zusammenhalts der geometrisch sehr anspruchsvollen Konstruktionen. „Wir wollen nicht nur, sondern wir müssen ganz einfach die Konstruktionsweise dahin kriegen, daß wir einen Baukasten bekommen, aus dem wir dann Flansch A mit Spirale B und ein- oder zweiflutiger Ausführung kombinieren können“, erläutert CAD/CAM-Manager Jennes, der jahrelang als Consulter für einen Softwaredienstleister tätig war. Nur so lasse sich erreichen, daß Variantenkonstruktionen letztlich in wenigen Tagen statt in vier bis acht Wochen ausgeführt werden können.
Da die Kunden aus der Nutzfahrzeugbranche selbst unter erheblichem Zeitdruck stehen, ist Entwicklungsgeschwindigkeit in diesem Markt existenzentscheidend. „Hierzu gehört auch die möglichst schnelle Verfügbarkeit von Prototypen aus den CAD-Daten heraus“, weiß Jennes. Denn wegen der komplexen Strömungsvorgänge im Turbinenteil könne das tatsächliche Betriebsverhalten nicht mit ausreichender Sicherheit vorausberechnet werden. Nach Fertigstellung der Konstruktion benötige man daher möglichst schnell Funktionsprototypen für die Durchführung von Prüfstandsversuchen.
„Die Beschaffung solcher Prototypen war für uns früher sehr zeitraubend, denn wir mußten mit den Zeichnungen zum Formenbauer gehen und warten, bis die entsprechenden Formen bzw. Kerne angefertigt waren“, erinnert sich Jörg Jennes. Das habe in der Regel acht bis zwölf Wochen gedauert. Dank Rapid Prototyping (RP) gehe dies mittlerweile sehr viel schneller. Im Prinzip seien die erforderlichen Daten nach Abschluß der Konstruktion innerhalb von 10 min beim Gießer. Bisher werden die Gießformen für die Prototypen mit Hilfe von lasergesinterten Polystyrolmodellen hergestellt. Zur Anwendung kommt das Feingießverfahren, bei dem die Modelle erst mit keramischem Material umhüllt und beim Brennen dieser „Schalenform“ dann vergast werden. Dies dauert jetzt statt der früher üblichen zwei bis drei Monate nur noch etwa zwei Wochen. „Noch interessanter wäre es für uns natürlich, wenn wir in dieser Fertigungskette einen weiteren Schritt einsparten und nach dem Lasersintern direkt einen metallischen Prototypen zur Verfügung hätten“, verrät Jennes. Dadurch ließen sich nicht nur Kosten einsparen, sondern – was viel wichtiger sei – auch noch rund eine Woche Zeit gewinnen. Deshalb sei man sehr daran interessiert gewesen, als DTM in Hilden angeboten habe, einen solchen Prototypen mit Hilfe des Rapid Steel 2.0 Werkstoffs versuchsweise anzufertigen. Nach einigen Anläufen sei es gelungen, kleinere Anfangsprobleme in den Griff zu bekommen und einen Prototypen zu liefern.
Dennoch habe bei den Verantwortlichen eine gewisse Skepsis überwogen, da die Hochtemperatureigenschaften des Werkstoffs nur schwer einzuschätzen waren. Das Material sei ja im wesentlichen für Anwendungen wie Spritzgieß- und Druckgießformen entwickelt worden. Dort lägen nicht nur die Einsatztemperaturen deutlich niedriger, auch die Beanspruchungsart sei ganz anders als bei der Turboladerturbine, die ja vor allem einer Innendruckbelastung unterliege. „Angesichts dieser Bedenken“, so der Warner-Manager, „war die Spannung daher groß, als wir dieses Teil dann in die Testsequenz eingeschleust haben“. Bei der mechanischen Bearbeitung hatten sich keine Probleme ergeben, der Werkstoff ließ sich problemlos bohren und fräsen. Danach habe man den Prototypen zu einer kompletten Turboladereinheit ergänzt und anschließend auf einen Prüfstand genommen.
„Das sind bei uns richtige Härtetests, wo komplette, besonders harte Lastfallsimulationen inklusive stundenlanger Vollgasfahrten nachvollzogen werden“, hebt Jörg Jennes hervor. Der Prototyp habe hierbei über einen Zeitraum von mehr als 5 h eine Temperatur von 570 °C ertragen müssen – und dies problemlos ausgehalten.

Materialeigenschaften des Zielwerkstoffs im Visier

Auch die ursprünglich befürchteten Probleme mit mangelnder Dichtheit des gesinterten Gehäuses hätten sich nicht eingestellt. Insgesamt, so sein Fazit, sei man mit dem Material sehr zufrieden gewesen. Zwar habe man auf dem Prüfstand eine Unterschreitung der Strömungsdurchsatzwerte um 2 % registriert, doch sei dies wohl eher eine Frage der Geometrie und nicht dem Werkstoff oder dem Verfahren anzulasten.
Für die Zukunft, prognostiziert Jörg Jennes, könne er sich gut vorstellen, daß man bei der Prototypfertigung vom zweistufigen Verfahren – erst Polystyrolmodell und dann Feingußteil – zum direkten Lasersintern von Metall übergeht. Vor allem der Zeitgewinn ist aus seiner Sicht sehr attraktiv. „Hierfür wünsche ich mir einen Prototypwerkstoff, der noch näher am eigentlichen Zielwerkstoff liegt und eine Vergrößerung des Bauraums.“ Denn mit den gegenwärtig verfügbaren Abmessungen von 250 mm x 250 mm x 150 mm könnten nur für die kleineren Baureihen Prototypen gefertigt werden. KLAUS VOLLRATH
Jörg Jennes: „Metallisches Lasersintern von Prototypen bringt attraktiven Zeitgewinn.“ Testmodell für den „Ernstfall“: Turbolader-Prototyp bewältigt 570 °C über 5 h ohne Probleme.

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