Automobil & Leichtbau Riemenscheiben aus Kunststoff

Redakteur: Luca Meister

Weniger Gewicht bei gleicher und höherer Leistung – vor dieser Herausforderung steht die Automobilindustrie angesichts der Forderung nach Reduzierung der Emissionswerte und des Treibstoffverbrauchs der Fahrzeuge. Damit gewinnen hochwertige Kunststoffteile, die höchsten Belastungen standhalten, zunehmend an Bedeutung. Die Firma Winkelmann Powertrain Components mit Sitz in D-Ahlen hat diesen Trend schon früh erkannt und setzt bei der Herstellung von Riemenscheiben auf Duroplaste.

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Prototyp eines Zahnriemenrads aus Duroplast für den Antrieb einer Nockenwelle.
Prototyp eines Zahnriemenrads aus Duroplast für den Antrieb einer Nockenwelle.
(Bild: Winkelmann Powertrain Components)

mei. Die Winkelmann-Gruppe beschäftigt weltweit über 3000 Mitarbeiter, davon etwa 700 in D-Ahlen, und erwirtschaftet jährlich einen Umsatz von rund 500 Millionen Euro. Sie gliedert sich in die Geschäftsbereiche Heizung und Wasser, Automotive und Antriebselemente, wobei die ersten beiden die Hauptumsatzträger des Unternehmens sind. Im Bereich Automotive hat sich die Gruppe auf vier Produktbereiche spezialisiert: Getriebekomponenten, Drehschwingungsdämpfer, Kraftstoffverteilersysteme sowie Riemenscheiben und -räder.

Grosses Potential

Ihren Ursprung hat die Fertigung von Riemenscheiben in der Kaltumformung von Blech, einer Kernkompetenz der Firma Winkelmann. Die ursprünglich aus Stahl und später aus Aluminium geformten Riemenscheiben wurden 1992 durch die Fertigung der Teile aus Kunststoff ergänzt. In diesem Zusammenhang wurden drei richtungsweisende Entscheidungen getroffen: Das eingesetzte Material sollte glas- oder mineralfaserverstärktes Phenolharz sein; die Verarbeitung des Materials sollte in einem für diesen Zweck adaptierten und geschützten Kernprägeverfahren erfolgen. Und die einzusetzenden Spritzgiessmaschinen sollten von der Firma Battenfeld kommen.

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Die ersten aus Duroplast gefertigten Riemenscheiben gingen an BMW. Mittlerweile hat Winkelmann an die 50 Millionen Duroplast-Riemenscheiben im Kernprägeverfahren für Wasserpumpen, hydraulische Lenkhilfepumpen und für Nockenwellenantriebe hergestellt. Vor allem bei letzteren sieht Winkelmann aufgrund der Gewichts- und Kostenreduzierung gegenüber Metallteilen ein grosses Potential für die Zukunft. Darüber hinaus ist das Unternehmen einer der wenigen Hersteller, der auch Hybridscheiben aus Duroplast in Kombination mit anderen Materialien, wie Metall, Thermoplast und Elastomer, anbietet.

Erfolgsrezept Kernprägen

Beim Kernprägeverfahren wird Phenolharz auf Novolakbasis mit geringem Druck in die Form eingebracht, um eine Ausrichtung der Glasfasern zu vermeiden. Danach wird der Prägekern im Werkzeug verschoben, wodurch in der Form der notwendige Forminnendruck und die endgültige Geometrie des Bauteils erzeugt werden. Der Druck wird in der Folge gehalten, bis die später nicht mehr reversible chemische Vernetzung der Phenolharzmoleküle stattgefunden hat. Diese ist dafür verantwortlich, dass das Material später unter Temperatureinfluss formstabil bleibt.

Demnach bietet der Einsatz von im Kernprägeverfahren verarbeiteten Duroplasten zur Herstellung von Riemenscheiben eine Reihe von Vorteilen: Zu dem schon erwähnten Aspekt der Reduzierung von Gewicht und Kosten im Vergleich zu Metallen kommen eine hohe Geräuschdämpfung, eine verschleissarme Oberfläche, eine hohe dynamische Belastbarkeit auch bei extremen Temperaturen, eine hohe Homogenität, da die Glasfasern keine Vorzugsrichtung haben, sowie eine hohe Medienbeständigkeit gegen alle bekannten Medien im Motorraum. Nachdem die Aussenhaut der Produkte verfahrensbedingt aus reinem Harz besteht, ist zudem für eine lange Lebensdauer des Riemens gesorgt.

«Entkoppelte» Riemenscheiben

Grundsätzlich wäre auch eine Fertigung von Riemenscheiben aus ebenfalls glasfaserverstärkten Thermoplasten möglich. Allerdings sind die in ihrer Leistungsfähigkeit vergleichbaren Thermoplaste aufgrund der komplexen Materialkomposition, die notwendig ist, um die erforderliche Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten, unverhältnismässig teuer und damit nicht konkurrenzfähig und wurden somit nie in Erwägung gezogen.

Aktuell werden Duroplast-Riemenscheiben für Klimakompressoren, Wasserpumpen und Lenkhilfepumpen eingesetzt. Künftige Einsatzmöglichkeiten sieht Winkelmann vor allem aufgrund der enormen Gewichtsersparnis gegenüber Metall in Nockenwellenantrieben und Kurbelwellendämpfern oder in Riemenantrieben für elektrische Lenkungen, die sich zurzeit im Prototypenstadium befinden. Darüber hinaus arbeitet Winkelmann an der Weiterentwicklung von Hybridbauteilen aus Stahl, Duroplast und Elastomer, die vor allem im Dämpfungsbereich ein breites Einsatzfeld haben könnten. Die auf Grund der Bauweise und Funktion sogenannten «entkoppelten» Riemenscheiben bieten hierbei die Möglichkeit, den Riementrieb und die daran beteiligten Aggregate von den Drehschwingungen des Kurbeltriebes eines Verbrennungsmotors abzukoppeln.

23 Duroplast-Maschinen

Winkelmann produziert in seinem Duroplast-Werk in Ahlen derzeit mit 23 Spritzgiessmaschinen im Schliesskraftbereich von 100 bis 150 Tonnen. Dipl.-Ing. Axel Neukirchen, Produktbereichsleiter für Duroplastprodukte bei Winkelmann: «Battenfeld hat sich in unseren Anfängen in den Neunziger Jahren als der Hersteller mit der höchsten Bereitschaft und Kompetenz, Maschinen für das Kernprägeverfahren zu konfigurieren, erwiesen und war damit der richtige Partner für uns.» Begonnen wurde mit den Vorläufermaschinen der heutigen hydraulischen «HM»-Baureihe, den Drei-Platten-Maschinen der sogenannten «CDC»-Reihe mit zentralem Schliesszylinder.

2013 wurden die ersten beiden Maschinen der HM-Baureihe geliefert. Dabei handelt es sich um Maschinen der Typen «HM 150/1000 ServoPower» mit 150 Tonnen Schliesskraft, ausgestattet mit energiesparendem Servoantrieb, Wittmann-Robotern der Type «W821» mit der modernen «R8»-Steuerung zur Teileentnahme als auch zum Einlegen von Metallringen sowie Wittmann-Temperiergeräten der «Tempro plus D»-Serie zur Schneckenzylindertemperierung. Weiter sind die Maschinen mit allen für die Duroplastverarbeitung notwendigen Optionen ausgerüstet. Zusätzlich wurden spezielle, für das von Winkelmann verwendete Verfahren benötigte Ablaufsequenzen inklusive Überwachungen umgesetzt. Um ein spanungsfreies, komplett ausgespritztes Teil zu gewährleisten, wird an der Maschine ein zusätzlicher Kernprägezylinder zur Verdichtung der Kavität angebracht, der bewirkt, dass während des Spritzvorgangs mit dem Hydraulikzylinder über den Kern zusätzliche Kraft auf die Kavität ausgeübt wird. <<

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