Kfz-Motoren Kunststofftechnik im Motorenbau: Detailarbeit beim Downsizing

Konstrukteure von Kfz-Motoren müssen selbst bei der Lösung von vermeintlich einfachen Aufgaben wie der optimalen Schwingungsdämpfung von Steuerketten ein hohes Maß an Werkstoff- und Prozess-Know-how beweisen.

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Das Bild zeigt den Blick in die 2K-Spritzgießmaschine mit robotergestützter Entnahme.
Das Bild zeigt den Blick in die 2K-Spritzgießmaschine mit robotergestützter Entnahme.
(Bild: Weiss)

Die Tücke liegt im Detail! Konstrukteure von Kfz-Motoren können das sicherlich bestätigen. Denn der Trend in der Motorentechnik heißt Downsizing. Wo bei früheren Generationen eines Automodells – um nur ein Beispiel zu nennen, ein Sechszylinder mit 2,5 Litern Hubraum zum Einsatz kam, reicht dem neuesten Modell ein hochaufgeladener 1,8 Liter-Vierzylinder. In der Kompaktklasse kommen sogar zunehmend Dreizylindermotoren zum Einsatz. Dabei sollen die neuen Motoren sparsamer, aber keinesfalls leistungsärmer werden. Für Konstrukteure bedeutet das Grundlagenentwicklung und sehr viel Detailarbeit.

Ziel: 2K-Führungsschiene mit Zusatzeigenschaften

Ein solches Detail betrifft die Kette des Nockenwellentriebs. Sie wird durch Schienen aus hochbelastbarem Polyamid (PA 66) geführt, die unter Öl laufen und hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Diese Schienen führen die Kette und halten sie unter Spannung. Zugleich haben sie die Aufgabe, Schwingungen zu dämpfen bzw. zu verlagern und das Geräuschniveau zu mindern.

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Die Weiss Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG ist Spezialist für die Fertigung anspruchsvoller Kunststoffkomponenten und hat gemeinsam mit einem Motoren- und einem Kettenhersteller eine Lösung erarbeitet, die an die Anforderungen von kompakten Motoren mit hoher Leistungsdichte angepasst ist. Ziel der Entwicklung war es, zusätzliche schwingungsdämpfende Eigenschaften in die Führungsschiene einzubringen. Theoretisch einfach zu lösen: Zwischen den Seitenrippen der Schienen ist genug Platz, um mit Hilfe des Zweikomponenten-Spritzgießens (2K) ein thermoplastisches Elastomer (TPE) anzuspritzen. Das sind weiche Kunststoffe mit schwingungs- und geräuschdämpfender Wirkung.

Werkstoff schwer zu verarbeiten

In der Praxis ist diese Aufgabenstellung aber keineswegs trivial, obwohl Weiss umfangreiche Erfahrung mit der Werkstoff-Kombination PA und TPE im 2K-Spritzguss hat. Projektingenieur Stefan Martini: „Wir mussten hier ein spezielles TPE auf Polyesterbasis verwenden, das gummiartige Eigenschaften hat und öl- sowie temperaturbeständig ist. Dieser Spezialwerkstoff ist in der Schmelze zäh und klebrig und daher schwer zu verarbeiten. Außerdem geht er keine Verbindung mit Polyamid ein.“ Das Unternehmen hat die Herausforderung gemeistert. Die Haftung des TPEs, das mit einer Wandstärke von jeweils 7 mm an beiden Seiten der Schiene angespritzt wird, ist auf mechanische Weise gewährleistet: Durchbrüche im Mittelsteg der Schiene sichern ein Überströmen des Werkstoffs beim Spritzprozess auf beide Seiten und schaffen somit eine zuverlässige Verbindung.

Da das PA mit sehr hoher und das TPE mit deutlich niedrigerer Temperatur verarbeitet wird, mussten bei der Gestaltung des 2K-Prozesses einige prozesstechnische Kniffe integriert werden. Kühlt der Kettenspanner ab, schwindet das Material. Daher muss der Robotergreifer beim Ablegen und Wiederaufnehmen ein und desselben Bauteils in der Lage sein, die Maßänderungen zu kompensieren.

Roboter gibt Takt der Produktion an

Wegen der Besonderheiten im Spritzgießprozess war die Konstruktion einer separaten Produktionszelle für das Bauteil erforderlich – die Aufgabe erledigte Weiss mit eigenen Ressourcen und hat dabei auch die Automatisierungstechnik geplant. Robert Heller, verantwortlich für die Konstruktion der Einrichtungen: „Wir haben das Zusammenspiel von 2K-Maschine und Roboter so strukturiert, dass der Roboter quasi den Takt der Produktion angibt.“

Letztendlich hat das Projekt zu einem erfolgreichen Ergebnis geführt: Der 2K-Kettenspanner trägt bereits in der Praxis zum ruhigen, schwingungsarmen Lauf des ebenso leistungsstarken wie energieeffizienten Dreizylindermotors bei. (sh)

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