Porsche sta esplorando attivamente la tecnologia di stampa 3D e ora, per la prima volta, la applica a componenti in movimento altamente sollecitati come i pistoni. Sono ancora un prototipo, ma i primi risultati dei test sui pistoni stampati sono promettenti.
Frutto di una partnership di sviluppo tra Porsche, Mahle e Trumpf (che sviluppano i processi di produzione e stampa), per testare questa tecnologia, il produttore tedesco ha assemblato questi pistoni nel flat-six della "mostro" 911 GT2 RS.
Ti starai chiedendo, perché stampare i pistoni?
I pistoni forgiati nel motore della 911 GT2 RS utilizzano già una tecnologia di produzione che unisce leggerezza, resistenza e durata. Caratteristiche essenziali per resistere ai rigori delle alte prestazioni promesse.
Tuttavia, è possibile andare oltre. La stampa 3D o la produzione additiva (per strati) consente di ottimizzare il design del pistone, soprattutto a livello strutturale, applicando solo materiale e solo dove le forze agiscono sul pistone. Un'ottimizzazione impossibile da ottenere con i metodi di produzione tradizionali, possibile solo perché la stampa 3D “crea” l'oggetto strato dopo strato, rendendo possibile l'esplorazione di nuove forme.
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L'ottimizzazione del design si traduce in forme più organiche che geometriche che sembrano provenire direttamente dalla natura, da qui la designazione di design bionico.
Alla fine, abbiamo un componente con l'integrità strutturale necessaria - Porsche afferma che i suoi pistoni stampati sono persino più resistenti di quelli forgiati - ma è necessario meno materiale per ottenere questo risultato in un componente più leggero.
Confronto pistone forgiato (sinistra) con pistone stampato (destra).
10% più leggero, più 300 giri, più 30 cv
Nel caso dei pistoni Porsche stampati, questa tecnologia ha permesso loro di ridurre la loro massa del 10% rispetto ai pistoni forgiati utilizzati nella 911 GT2 RS standard, ma secondo Frank Ickinger del dipartimento di sviluppo avanzato di Porsche "le nostre simulazioni mostrano che c'è un potenziale di risparmio di peso fino al 20%”.
In un'automobile, il peso, o meglio la massa, è il nemico, lo stesso vale per un motore. Il pistone è un componente in movimento, quindi rimuovere la massa porta dei vantaggi. Essendo più leggero c'è meno inerzia, quindi, in linea di principio, sarà necessario meno sforzo per spostarlo.
Il risultato è che i pistoni stampati di Porsche hanno permesso al motore a sei cilindri 3.8 biturbo della 911 GT2 RS di funzionare a 300 giri/min al di sopra del motore di produzione, con un conseguente aumento di 30 CV di potenza massima, o 730 CV invece di 700 cv.
Ma i vantaggi non si esauriscono con la maggiore leggerezza del pistone. Come abbiamo già detto, la stampa 3D consente modi impossibili da ottenere con i metodi di produzione tradizionali. Nel caso di questi pistoni stampati, la fabbricazione a strati ha consentito l'aggiunta di un condotto di raffreddamento dietro le fasce elastiche. È come un tubo chiuso all'interno del pistone, con solo due aperture di ingresso e uscita per il circuito dell'olio.
Con questo metodo di raffreddamento aggiuntivo, la temperatura del pistone durante il funzionamento è scesa di oltre 20°C proprio dove è soggetto ai carichi termici più elevati. Raggiungendo una temperatura di esercizio più bassa del pistone, Porsche è riuscita anche a ottimizzare la combustione, aumentando la pressione e la temperatura, con conseguente maggiore efficienza. Come dice Frank Ickinger:
"Questo è un buon esempio di come il motore a combustione abbia ancora potenziale per il futuro".
Come sono realizzati i pistoni Porsche stampati?
La collaborazione con Mahle, che ha sviluppato e prodotto i pistoni forgiati per la 911 GT2 RS, ha permesso loro di sviluppare la polvere metallica che funge da "inchiostro" per stampare i pistoni. La polvere utilizza la lega di alluminio M174+ di Mahle, la stessa dei pistoni forgiati della 911 GT2 RS. Pertanto, le caratteristiche dei pistoni stampati sono paragonabili a quelle dei pistoni forgiati.
Il laser fonde la polvere metallica e, strato dopo strato, i pistoni prendono forma.
Entra Trumpf, che ha sviluppato il processo di produzione e stampa. La stampante 3D Trumpf TruPrint 3000 ad alta precisione fonde la polvere, strato dopo strato, attraverso un processo chiamato LMF, o fusione laser di metalli. In questo processo la polvere viene fusa da un raggio laser con uno spessore da 0,02 mm a 0,1 mm, strato per strato.
In questo caso sono necessari circa 1200 strati che impiegheranno circa 12 ore per la stampa.
La macchina da stampa Trumpf permette di stampare cinque pistoni contemporaneamente e dopo un'attenta analisi dei pistoni stampati, in collaborazione con Zeiss, è stato confermato che non differiscono dai pistoni forgiati.
La stampante Trumpf può stampare cinque pistoni contemporaneamente.
prova, prova e prova
Dopo averli montati sul flat-six della 911 GT2 RS, è il momento di provarli. Con il motore posto su un banco prova, è stato messo alla prova in una prova di durata di 200 ore.
Tra i vari test effettuati, uno di questi ha simulato una corsa di 24 ore su un circuito ad alta velocità: ha “percorso” circa 6000 km di distanza ad una velocità media di 250 km/h, simulando anche soste per il rifornimento. Un altro test ha incluso 135 ore a pieno carico e 25 ore a velocità diverse.
Il risultato di questo duro test? Test superato, con tutti i pistoni stampati che hanno superato il test senza registrare alcun tipo di problema.
Vedremo questi pistoni stampati arrivare sul mercato?
Sì, vedremo, ma non c'è un orario specifico. La tecnologia di stampa 3D esiste da alcuni decenni ed è già ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica, ma la verità è che ha solo scalfito la superficie del suo potenziale.
Vedremo i pistoni impressi su un futuro modello Porsche? Molto probabilmente.
Ora è una tecnologia comune nella prototipazione. Ti consente di creare componenti specifici e persino di esplorare rapidamente diverse varianti nella progettazione dei componenti senza dover sviluppare le macchine per realizzarli, aprendo un intero mondo di possibilità.
Porsche utilizza già questa tecnologia anche in altri settori, come nelle competizioni e nei suoi classici. Porsche Classic produce già 20 parti (in plastica, acciaio e altre leghe metalliche) per modelli classici attraverso la stampa 3D, che non sono state più prodotte e sarebbero altrimenti impossibili da produrre di nuovo.
Vedremo anche questa tecnologia applicata in modelli speciali o di bassa produzione, o anche in termini di opzioni o personalizzazione: ad esempio, quest'anno, un sedile in stile baquet che utilizza la stampa 3D è diventato disponibile come opzione per la 718 e la 911 —, poiché questo tipo di lavorazione risulta essere economicamente e tecnicamente più interessante.
Il prototipo del banco tamburo utilizzando la stampa 3D
Porsche sta anche lavorando per implementare questa tecnologia nei modelli ad alta produzione, cosa che accadrà a lungo termine. Per quanto? Questo è quello che abbiamo chiesto a Frank Ickinger, e la sua risposta, senza dare assoluta certezza, "almeno 10 anni (2030)" - dobbiamo aspettare, ma il potenziale della stampa 3D e il suo fattore dirompente sono innegabili.