Werkstoffe Polyamide ersetzen Metall im Nutzfahrzeugbau

Redakteur: Jan Vollmuth

Polyamide, die mit hohen Gehalten an Glasfasern verstärkt sind, eignen sich auch im Nutzfahrzeugbau zur Substitution von Metallen. Das zeigen die beiden Träger des Luftfilters, mit denen der Mercedes-Benz Actros Anfang nächsten Jahres ausgestattet wird.

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Die beiden Träger des Luftfilters für den Mercedes-Benz Actros bestehen aus dem mit 50 Gewichtsprozent Glasfasern hochverstärkten Durethan AKV 50 H2.0. Das Polyamid 66 erschließt gegenüber der bisherigen Bauteilausführung in Stahl spürbare Kostenvorteile.
Die beiden Träger des Luftfilters für den Mercedes-Benz Actros bestehen aus dem mit 50 Gewichtsprozent Glasfasern hochverstärkten Durethan AKV 50 H2.0. Das Polyamid 66 erschließt gegenüber der bisherigen Bauteilausführung in Stahl spürbare Kostenvorteile.
(Bild: Lanxess AG)

Eine Weltpremiere: In den Actros-LKW von Mercedes-Benz werden ab Anfang des kommenden Jahres erstmals Halter aus Kunststoff als tragende Strukturbauteile einer Luftfilteranlage zum Einsatz kommen. Die Träger bestehen aus dem mit 50 Gewichtsprozent Glasfasern hochverstärkten Polyamid 66 Durethan AKV 50 H2.0 von Lanxess. Ein Beleg, dass Polyamide mit hohen Gehalten an Glasfasern sich auch im Nutzfahrzeugbau zur Substitution von Metallen eignen.

„Für unseren Konstruktionswerkstoff spricht, dass er gegenüber der bisherigen Bauteilausführung in Stahl spürbare Kostenvorteile erschließt und dabei die hohen Anforderungen an die dynamische Dauerbelastbarkeit erfüllt. Außerdem können mit ihm die Bauteilgewichte in Summe um 2,9 Kilogramm und damit um deutlich mehr als 50 Prozent gesenkt werden“, so Jürgen Horstmann, Key Account Manager für die Nutzfahrzeugindustrie beim Geschäftsbereich High Performance Materials von Lanxess.

Wirtschaftlicher Fertigungsprozess

Die Trägerbauteile werden von der BBP Kunststoffwerk Marbach Baier GmbH für die Daimler Truck Nutzfahrzeuge gefertigt. Dem Hersteller mit Sitz in Marbach am Neckar gelang es, zeitgleich mit der Entwicklung der Träger einen wirtschaftlichen, industriellen Prozess zu ihrer Fertigung aufzubauen. Das in Marbach am Neckar ansässige Unternehmen entwickelte dazu unter anderem in der hauseigenen Abteilung für Formenbau ein Werkzeugkonzept für die geometrisch komplexen Bauteile. „Die Vielzahl an Kernen im Werkzeug erforderte zum Beispiel ein anspruchsvolles, konturnahes Design der Kühlung“, sagt Horst Hauke, Geschäftsführer von BBP.

Die beiden Halter tragen nicht nur den Luftfilter, sondern auch den darunter befestigten Kotflügel – was zusammen rund 7,9 kg auf die Waage bringt. Im Betrieb kann sich das Gewicht u. a. infolge von Staub im Luftfilter und durch Verschmutzung der Anbauteile im Radlauf weiter erhöhen. Zudem sind die beiden Träger extrem hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt – etwa bei Erschütterungen durch tiefe Schlaglöcher im Baustellenverkehr. Ein wichtige Vorgabe bei der Bauteilauslegung war, dass die Kunststoffträger die gleiche Bauteilsteifigkeit wie die bisher verwendeten Stahlhalter aufweisen.

Hohe Steifigkeit und Festigkeit

Um die dynamische Belastbarkeit und Funktionalität der Polyamid-Träger zu prüfen, wurde die Fahrzeuglebensdauer auf der hauseigenen Schlechtwegstrecke mit mehreren Fahrzeugen erprobt. „Dank der hohen Festigkeit und Steifigkeit unseres Polyamids haben die beiden Strukturbauteile diesen Test sicher bestanden“, so Lanxess-Experte Horstmann. Die Träger halten außerdem der hohen statischen Belastung stand, wenn der Fahrer etwa bei Reparaturarbeiten mit seinem ganzen Gewicht auf den Luftfilter steigt; hierbei betrug die Prüflast 100 kg.

Zu einer deutlichen Kostenersparnis im Vergleich mit der Stahlausführung trägt bei, dass der Filter direkt mit dem Träger verschraubt ist, so dass auf Buchsen verzichtet werden kann. „In Zusammenarbeit mit einem Schraubenhersteller wurde eine Lösung erarbeitet, die ein mehrfaches Verschrauben des Filters etwa nach Wartung und Austausch ermöglicht. Die Vorspannkräfte der Schrauben in den Trägern bleiben so hoch, dass sich das Luftfiltergehäuse nicht von selbst lösen kann“, erläutert Horstmann.

Per Topologieoptimierung zur günstigsten Struktur

Im Rahmen seines Serviceangebots Hi Ant unterstützte Lanxess Hersteller BBP bei der Bauteilentwicklung. So wurde z. B. in der Konzeptphase mit einer Machbarkeitsstudie geprüft, ob das Bauteil in Polyamid 66 umsetzbar ist. Per Topologieoptimierung ermittelten Lanxess-Experten für die Träger unter Berücksichtigung des vorgegebenen Bauraums die günstigste Struktur, die bei minimalem Materialeinsatz zu einer maximalen Steifigkeit führt.

Außerdem stellten sie verschiedene Lastfälle vorab im Computer nach. Sie berechneten etwa die dynamische Belastbarkeit der Träger bei 135 °C sowie die missbräuchliche statische Belastung durch das Gewicht des Fahrers bei -40 °C und 150 °C. Die Berechnungen bei höherer Temperatur waren notwendig, weil ein Träger nahe am Turbolader positioniert ist und sich im Fahrbetrieb entsprechend aufheizt.

Die Ergebnisse der Simulation fanden in der Auslegung der Bauteile Berücksichtigung. Weiterhin wurde das Schwingungsverhalten der Träger analysiert, um die Eigenfrequenzen durch konstruktive Maßnahmen in einen Frequenzbereich zu verlegen, der nicht durch den Fahrbetrieb angeregt wird, und dadurch kritische Resonanzen zu vermeiden. (jv)

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