Porsche aktivně zkoumá technologii 3D tisku a nyní ji poprvé aplikuje na vysoce namáhané pohyblivé součásti, jako jsou písty. Jsou zatím prototypem, ale první výsledky testů na tištěných pístech jsou slibné.
Výsledkem vývojového partnerství mezi Porsche, Mahle a Trumpf (kteří vyvíjejí výrobní a tiskové procesy), aby tuto technologii otestoval německý výrobce, namontoval tyto písty do ploché šestky „monstra“ 911 GT2 RS.
Možná se ptáte, proč tisknout písty?
Kované písty v motoru 911 GT2 RS již využívají výrobní technologii, která kombinuje lehkost, pevnost a odolnost. Základní funkce, které vydrží přísné podmínky slibovaného vysokého výkonu.
Je však možné jít dále. 3D tisk nebo aditivní výroba (po vrstvách) umožňuje optimalizovat konstrukci pístu, zejména na konstrukční úrovni, nanášením materiálu pouze a pouze tam, kde na píst působí síly. Optimalizace, kterou nelze dosáhnout tradičními výrobními metodami, je možná pouze proto, že 3D tisk „vytváří“ objekt vrstvu po vrstvě, což umožňuje zkoumat nové formy.
Přihlaste se k odběru našeho newsletteru
Optimalizace designu vede k více organickým než geometrickým tvarům, které jako by pocházely přímo z přírody, proto označení bionický design.
Nakonec máme součást s nezbytnou strukturální integritou – Porsche říká, že její tištěné písty jsou ještě pevnější než kované – ale k dosažení tohoto výsledku je potřeba méně materiálu, výsledkem je lehčí součást.
Porovnání kovaného pístu (vlevo) s potištěným pístem (vpravo).
O 10 % lehčí, více 300 ot./min., více 30 hp
V případě tištěných pístů Porsche jim tato technologie umožnila snížit jejich hmotnost o 10 % ve srovnání s kovanými písty používanými ve standardním 911 GT2 RS, ale podle Franka Ickingera z oddělení pokročilého vývoje Porsche „naše simulace ukazují, že existuje potenciál úspory hmotnosti až 20 %.
V automobilu je váha nebo spíše hmotnost nepřítelem – totéž platí v motoru. Píst je pohyblivá součást, takže odstranění hmoty přináší výhody. Tím, že je lehčí, je menší setrvačnost, takže v zásadě bude k pohybu potřeba méně úsilí.
Výsledkem je, že tištěné písty Porsche umožnily 3,8 biturbo plochému šestiválci 911 GT2 RS běžet při 300 otáčkách za minutu nad sériovým motorem, což mělo za následek dalších 30 koní maximálního výkonu, neboli 730 koní místo 700 cv.
Větší lehkostí pístu ale výhody nekončí. Jak jsme již zmínili, 3D tisk umožňuje způsoby, kterých není možné dosáhnout tradičními výrobními metodami. V případě těchto tištěných pístů umožnila výroba vrstev přidání chladicího kanálu za pístní kroužky. Je to jako uzavřená trubka uvnitř pístu, pouze se dvěma vstupními a výstupními otvory pro olejový okruh.
Při tomto způsobu dodatečného chlazení klesla teplota pístu za provozu o více než 20°C právě tam, kde je vystaven nejvyššímu tepelnému zatížení. Dosažením nižší provozní teploty pístu se Porsche také podařilo optimalizovat spalování, zvýšit tlak a teplotu, což vedlo k vyšší účinnosti. Jak říká Frank Ickinger:
"Toto je dobrý příklad toho, že spalovací motor má stále potenciál do budoucna."
Jak se vyrábí tištěné písty Porsche
Spolupráce se společností Mahle, která vyvinula a vyrobila kované písty pro 911 GT2 RS, jim umožnila vyvinout kovový prášek, který slouží jako „inkoust“ pro tisk pístů. Prášek využívá hliníkovou slitinu Mahle M174+, stejnou jako kované písty 911 GT2 RS. Vlastnosti tištěných pístů jsou tedy srovnatelné s vlastnostmi kovaných pístů.
Laser roztaví kovový prášek a vrstvu po vrstvě získávají písty tvar.
Vstoupil Trumpf, který vyvinul proces výroby a tisku. Vysoce přesná 3D tiskárna Trumpf TruPrint 3000 taví prášek vrstvu po vrstvě pomocí procesu zvaného LMF neboli laserové spojování kovů. Při tomto procesu se prášek roztaví laserovým paprskem o tloušťce 0,02 mm až 0,1 mm, vrstvu po vrstvě.
V tomto případě je potřeba přibližně 1200 vrstev, což zabere přibližně 12 hodin tisku.
Tiskový stroj Trumpf umožňuje tisk pěti pístů současně a po pečlivé analýze vytištěných pístů bylo ve spolupráci se společností Zeiss potvrzeno, že se neliší od pístů kovaných.
Trumpfova tiskárna dokáže tisknout pět pístů současně.
testovat, testovat a testovat
Poté, co jsou namontovány na plochou šestku 911 GT2 RS, je čas je otestovat. S motorem umístěným na zkušební stolici byl podroben zkoušce výdrže po dobu 200 hodin.
Mezi různými provedenými testy jeden z nich simuloval 24hodinový závod na vysokorychlostním okruhu: „ujel“ přibližně 6000 km vzdálenosti průměrnou rychlostí 250 km/h, dokonce simuloval zastávky na doplnění paliva. Další test zahrnoval 135 hodin při plné zátěži a 25 hodin při různých rychlostech.
Výsledek této těžké zkoušky? Test prošel, přičemž všechny tištěné písty prošly testem, aniž by zaznamenaly jakýkoli typ problémů.
Uvidíme, jak se tyto tištěné písty dostanou na trh?
Ano, uvidíme, ale žádný konkrétní harmonogram neexistuje. Technologie 3D tisku existuje už pár desítek let a v automobilovém průmyslu je již hojně využívána, ale pravdou je, že její potenciál jen poškrábal.
Uvidíme potištěné písty na budoucím modelu Porsche? Pravděpodobně.
Nyní je to běžná technologie v prototypování. Umožňuje vám vytvářet specifické komponenty a dokonce rychle prozkoumat různé varianty návrhu komponent, aniž byste museli vyvíjet stroje k jejich výrobě, čímž se otevírá celý svět možností.
Porsche tuto technologii již využívá i v jiných oblastech, například v soutěži a její klasice. Porsche Classic již vyrábí prostřednictvím 3D tisku 20 dílů (z plastu, oceli a dalších kovových slitin) pro klasické modely, které se již nevyráběly a jinak by nebylo možné je znovu vyrobit.
Uvidíme také uplatnění této technologie ve speciálních nebo malosériových modelech, nebo dokonce z hlediska možností či přizpůsobení – například letos se pro modely 718 a 911 stala volitelná sedačka ve stylu baquet využívající 3D tisk. — protože tento typ výroby se ukazuje jako ekonomicky a technicky zajímavější.
Prototyp bubnové lavice využívající 3D tisk
Porsche také pracuje na implementaci této technologie do vysoce produkčních modelů, což se stane v dlouhodobém horizontu. Jak dlouho? Na to jsme se zeptali Franka Ickingera a jeho odpověď, aniž bychom dali absolutní jistotu, „nejméně 10 let (2030)“ – musíme si počkat, ale potenciál 3D tisku i jeho rušivý faktor jsou nepopiratelné.