„Das Laser Zentrum Nord ist eine von vielen wissenschaftlichen Einrichtungen, mit denen wir im Laufe der Jahre eine sehr gute Kooperation aufgebaut haben“, erläutert Götzke. “Dort verfügt man bereits aus sehr vielen weiteren Projekten, hauptsächlich mit der Luftfahrt-industrie, über umfangreiches Know-How gerade auch im Bereich der Titan-Verarbeitung sowie eine ausgereifte Technik.“ Die Hamburger Produktionswissenschaftler haben in den vergangenen Jahren eine Reihe an nationalen und internationalen sehr anerkannten Innovationspreisen für deren Arbeiten mit der Industrie erhalten.
„Die Zusammenarbeit mit Bugatti ist ein entscheidendes Leuchtturmprojekt für uns“, sagt Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, ehemaliger Geschäftsführer der Laser Zentrum Nord GmbH und seit der Übernahme des Zentrums als Fraunhofer-Institut für Additive Produktionstechnologien (Fraunhofer-IAPT) in den Forschungsverbund der Fraunhofer-Gesellschaft dessen Leiter. Darüber hinaus ist er Leiter des Instituts für Laser- und Anlagensystemtechnik der TU Hamburg (iLAS). Emmelmann ist stolz auf die Zusammenarbeit seines Instituts mit Bugatti: „Als uns Bugatti ansprach, waren wir sofort Feuer und Flamme. Ich kenne keine andere Automobilmarke, die so extrem hohe Anforderungen an ihre Produkte stellt. Wir haben diese Herausforderung gerne angenommen.“
Die Entwicklungszeit des 3D-Druck-Titan-Bremssattels war recht kurz: Von der ersten Idee bis zum ersten gedruckten Bauteil vergingen gerade einmal drei Monate. Das Grundkonzept, die Festigkeits- und Steifigkeits-Simulationen und -Berechnungen sowie die Konstruktion kamen als fertiger Datensatz von Bugatti zum Laser Zentrum Nord. Dort erfolgten dann die Prozess-Simulation, die Konstruktion der so genannten Stützstrukturen, der eigentliche Druck und die Wärmebehandlung des Bauteils. Die Endbearbeitung übernahm wiederum Bugatti.
Der spezielle 3D-Drucker im Laser Zentrum Nord, bei Projektstart die weltweit größte für Titan geeignete Anlage, verfügt über vier Laser mit einer Leistung von jeweils 400 Watt.
Es dauert insgesamt 45 Stunden, um einen Bremssattel zu drucken. In dieser Zeit wird Titanpulver Schicht für Schicht aufgetragen. Mit jeder Schicht schmelzen die vier Laser das Titanpulver der vorgegebenen Form des Bremssattels entsprechend auf. Das Material erkaltet sofort, der Bremssattel nimmt Gestalt an. Insgesamt 2.213 Schichten sind erforderlich. Nach Fertigstellung der letzten Schicht wird das verbliebene nicht aufgeschmolzene Titanpulver aus der Baukammer entfernt und in einem geschlossenen Prozess für die Wiederverwendung gereinigt und aufbewahrt. Übrig bleibt der Bremssattel, inklusive einer Stützstruktur, die das Bauteil in Form hält, bis es eine stabilisierende Wärmebehandlung absolviert und auf diese Weise seine Endfestigkeit erreicht hat.
Dafür kommt der Bremssattel in den Ofen, wo er für zehn Stunden Temperaturen von anfangs 700 Grad bis auf 100 Grad Celsius im weiteren Verlauf ausgesetzt wird, um Bauteileigenspannungen zu eliminieren und die Maßhaltigkeit sicherzustellen. Anschließend werden die Stützstrukturen entfernt und das Bauteil von der Bauplatte getrennt. Im nächsten Fertigungsschritt werden durch ein kombiniertes mechanisch-physikalisch-chemisches Verfahren die Oberflächen geglättet, was die Dauerschwingfestigkeit, sprich die Langzeithaltbarkeit des Bauteiles im späteren Fahrzeugbetrieb, drastisch erhöht. Abschließend werden die Konturen aller Funktionsflächen, zum Beispiel die Kolbenräume oder Gewinde, bearbeitet. Dies geschieht in einer so genannten 5-Achs-Fräsmaschine, die dafür noch einmal weitere elf Stunden benötigt.
Das Ergebnis ist ein höchst filigranes Bauteil mit Materialwandstärken zwischen minimal gerade einmal ein und maximal vier Millimetern.
„Es war ein sehr bewegender Moment für unsere Teams, unseren ersten Titan-Bremssattel aus dem 3D-Drucker in den Händen zu halten“, erinnert sich Frank Götzke. „Das ist das weltweit an seinem Volumen gemessen größte generativ gefertigte Funktionsbauteil aus Titan. Jeder ist beim Anheben des Bauteils überrascht, wie leicht es ist – trotz seiner enormen Größe. Es ist ein technisch äußerst beeindruckendes Bauteil, und es hat zugleich auch eine ganz wunderbare Ästhetik.“
Die ersten Versuche für den Serieneinsatz, für den es derzeit noch keinen Termin gibt, starten in der ersten Hälfte dieses Jahres. Dann werden sich schrittweise auch die Produktionszeiten, gerade bei der Nachbearbeitung, sehr deutlich verkürzen lassen, verspricht der Ingenieur.
Die Ergebnisse ihrer Arbeit stellen Götzke und sein Team dem Konzern und dessen Marken vor. „Bugatti ist bei der 3D-Druck-Entwicklung führend im Volkswagen Konzern“, betont Götzke. „Von unseren Projekten kann und soll jeder profitieren. Das ist auch Aufgabe Bugattis als Konzernlabor für Angewandte Hochtechnologie.“
Dabei ist der 3D-Druck-Bremssattel aus Titan nur ein Bespiel der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsarbeit Bugattis. „Wir haben nicht nur das weltweit größte generativ gefertigte Bauteil aus Titan entwickelt, sondern auch das bislang längste Bauteil der Welt, das jemals in einem Teil in 3D aus Aluminium gedruckt wurde“, erklärt Götzke und holt stolz eine 63 cm lange Scheibenwischerplatine aus dem Schrank. Mit 0,4 kg lediglich halb so schwer wie eine herkömmliche Alu-Leichtbau-Druckguss-Platine, und das bei gleicher Steifigkeit. Aber das ist eine andere Geschichte.
