Motordesign ohne Kunststoff ist kaum noch denkbar, denn das Material dringt in immer heißere Regionen vor und hält wachsenden Belastungen stand. Im Jahr 2003 ging ein Bauteil in Serie, das äußerlich recht unspektakulär, jedoch genau diesen hohen Anforderungen gewachsen ist: Die weltweit erste Thermoplast-Ölwanne für Nfz besteht aus einem Polyamid 66 mit 35 % Glasfasern. Beim Kontakt mit 120 °C heißem Öl zeigt sie, was sie aushält.
Wann immer versucht wurde, nicht tragende Blechölwannen durch solche aus glasfaserverstärktem PA 66 zu ersetzen, scheiterte die Serie hauptsächlich aus zwei Gründen: Bei einer direkten Substitution sind die Kosten für ein Kunststoffbauteil höher als für ein tiefgezogenes oder gepresstes Blechteil. Zudem waren Ölwannen in der Vergangenheit nach unten nicht gekapselt. So kam es bei der Simulation von Stößen, die durch Steinschlag oder durch das Aufsetzen der Ölwanne auftreten, zu Rissen oder gar zur Zerstörung des Bauteils. Inzwischen sind viele Motoren – vor allem im Dieselbereich – voll gekapselt, so dass die Wannen der direkten Berührung entzogen sind. Auch stehen glasfaserverstärkte Polyamide zur Verfügung, die ausreichend ölbeständig sind und härtesten Fahrbedingungen sowie hohen Temperaturen standhalten .
Das mit dem „Grand Innovation Award“ ausgezeichnete Bauteil der KTSN Kunststofftechnik Sachsen GmbH & Co. bietet gegenüber seinem Aluminiumdruckguss-Vorgänger wesentliche Vorteile: Es ist um circa 1 dB leiser und hat ein um etwa 30 % höheres Fassungsvermögen, denn große Hinterschnitte, die an den Seitenwänden über die vorgegebene Flanschkontur hinausragen, nutzen kleinste Hohlräume im Motorraum aus. Wartungsintervalle verlängern sich durch das höhere Volumen um 50 %. Darüber hinaus bringt die Kunststoffwanne nur halb so viel Gewicht wie eine vergleichbare Aluminium-Konstruktion auf die Waage.
Eigenschaften und statische Belastbarkeit
Das gut fließfähige „Ultramid A3HG7“ ermöglicht die Verarbeitung der über 6 kg Polyamid mit nur einer Anspritzstelle.
Vor allem zeichnet sich die Ölwanne durch Heißöl- und Wärmealterungsbeständigkeit aus: Der Werkstoff hält einer Spitzentemperatur von 150 °C stand. Im Dauerbetrieb darf ihm Heißöl-Kontakt bei 120 °C nichts ausmachen. Fachleute der BASF haben das Bauteil sogar 3000 h bei 130 °C erfolgreich getestet, schließlich wird einem Lkw eine Mindestlebensdauer von zehn Jahren und eine Laufleistung von 1 Mio. km zugemutet. Dichtheits- und Berstdruckversuche zeigten, dass ein zuverlässiges Abdichten des etwa 39 l fassenden Ölraumes nach außen sichergestellt ist.
Die größte statische Belastung erfährt die Wanne, wenn auf ihr sowohl Motor als auch Getriebe abgestellt werden. Dabei kippt das System einseitig ab und die fast 2 t Gewicht liegen auf lediglich einer Kante der Ölwanne. Um die Last gleichmäßiger zu verteilen, wurde ein Gummifuß montiert, der die Kraftspitzen auffängt und flächig verteilt.
Simulationen und Experimente
Schon im frühen Entwicklungsstadium wurden verfahrenstechnische und bauteilspezifische, statische und dynamische Simulationen durchgeführt: Ausgehend vom CAD-Geometriemodell wurde das Füllverhalten mit einer Moldflow-Analyse simuliert und die Glasfaserorientierung und das Verzugsverhalten berechnet. Die Simulation zeigt, dass beide Seitenwände der Kunststoffwanne selbst mit optimierten Prozessparametern einfallen. Als Reaktion darauf wurden im Bauteilinneren zwei Querstreben angebracht, die die Seitenwände auseinander pressen und auch ein Verschrauben der Ölwanne am Motorblock ermöglichen. Die Simulation des statischen Innendrucks macht sichtbar, wie sich der Boden der Wanne „aufbläst“. Diese Deformation bewirkt große Spannungsspitzen im Randbereich (Scharnier-Effekt), die durch eine optimierte Rippenanordnung reduziert werden können.
Die experimentelle Modalanalyse dient zur Analyse der Schwingungszustände der fünf Seitenwände. Musterteile waren Direktabgüsse der Duroplast-Serienteile, hergestellt aus glasfaserverstärktem Polyamid. Anhand eines festgelegten Punkterasters wurde durch Anschlagen mit einem Impulshammer eine breitbandige Anregung erzeugt. Ziel dieser Untersuchung ist das Auffinden von Bauteilresonanzen, also die Beschreibung der Lage von Eigenfrequenzen und Eigenformen. Je nach Feinheit des Messrasters sind so auch Schwingungszustände kleinerer Teilflächen identifizierbar. Durch Speckle-Interferometrie – ein Verfahren, das Bauteilschwingungen laseroptisch sichtbar macht – ging man dem dynamischen Bauteilverhalten auf den Grund. Hierbei wird das Bauteil mit einem regelbaren elektro-dynamischen Shaker im zu untersuchenden Frequenzbereich erregt. Die erzeugten Bilder zeigen Schwingungszustände in Richtung des auftreffenden Laserstrahls mit einer Auflösung von 0,25 µm zwischen zwei Interferenzlinien. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass sich durch Aufkleben von Rippen das schwingungstechnische und akustische Bauteilverhalten optimieren lassen.
Inzwischen sind viele weitere Kunststoffbauteile für den Ölkreislauf hinzugekommen, beispielsweise Ölsensoren, die gleichzeitig Temperatur und Füllstand des Öls messen, oder Getriebesteuerungen, die mitten im heißen Getriebeöl sitzen. An der Umsetzung von Pkw-Motorölwannen aus Kunststoff wird mit Hochdruck gearbeitet. Der hier wesentlich stärker begrenzte Bauraum und damit das enge Nebeneinander von Kunststoffbauteilen und heißer Abluft stellen jedoch eine neue Herausforderung an Material und Konstruktion.
Ultramid wird von der BASF mit vielen Zusatzleistungen wie speziellen Materialkennwerten oder sogar Bauteilsimulationen vermarktet. Es bietet eine für den Automobilbau optimale Kombination aus thermischer und chemischer Beständigkeit, dynamischer Festigkeit, Zähigkeit und Dauergebrauchstauglichkeit.
BASF Telefon: 0621/60-78780
E-Mail: ultraplaste.infopoint@basf.com
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