Downsizing: Kunststofftechnik im Motorenbau Viel Detailarbeit bei Motor-Downsizing

Die Tücke liegt im Detail: Konstrukteure von Kfz-Motoren können das mit Sicherheit bestätigen. Selbst bei der Lösung von vermeintlich einfachen Aufgaben wie der optimalen Schwingungsdämpfung von Steuerketten ist ein hohes Mass an Werkstoff- und Prozess-Know-how erforderlich. Eine Reportage aus der Werkstatt der Firma Weiss Kunststoffverarbeitung zeigt, welche Herausforderungen zu lösen sind und wie sie gemeinsam mit dem Kettenhersteller bei einem Dreizylindermotor gemeistert wurden.

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Das «Downsizing» ist ein wichtiger Trend in der Motorentechnik. 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. Und die Autotester sind sich einig: Das ist kein Verlust. Die neuen Motoren sind sparsamer und keineswegs leistungsärmer.

Für die Motorenkonstrukteure bedeutet diese Entwicklung allerdings nicht nur Grundlagenentwicklung, sondern auch sehr viel Detailarbeit. Ein solches Detail betrifft die Kette des Nockenwellentriebs. Sie wird durch Schienen aus dem hochbelastbaren 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 beziehungsweise zu verlagern und das Geräuschniveau zu mindern.

Ziel: 2K-Führungsschiene mit Zusatzeigenschaften

Die Weiss Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG ist seit Jahrzehnten Spezialist für die Fertigung dieser anspruchsvollen 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. Auf der theoretischen Ebene ist das 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.

Spezialwerkstoff

In der Praxis ist diese Aufgabenstellung aber keineswegs trivial, obwohl Weiss umfangreiche Erfahrung mit der Werkstoffkombination PA und TPE im 2K-Spritzguss hat. Projektingenieur Stefan Martini erklärt: «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.»

Diese Herausforderungen konnten aber gemeistert werden. Die Haftung des TPEs, das mit einer Wandstärke von jeweils sieben Millimeter an beiden Seiten der Schiene angespritzt wird, ist auf mechanische Weise gewährleistet: Durchbrüche im Mittelsteg der Schiene gewährleisten ein Überströmen des Werkstoffs beim Spritzprozess auf beide Seiten und schaffen somit eine zuverlässige Verbindung.

Roboter gibt den Takt an

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. Und weil das Abkühlen des Kettenspanners eine Schwindung des Materials zur Folge hat, muss der Robotergreifer beim Ablegen und Wiederaufnehmen ein und desselben Bauteils in der Lage sein, die Massänderungen zu kompensieren.

Wegen dieser und anderer Besonderheiten im Spritzgiessprozess war die Konstruktion einer separaten Produktionszelle für das Bauteil erforderlich – eine Aufgabe, die Weiss traditionell mit eigenen Ressourcen erledigt und dabei auch die Automatisierungstechnik plant. Dipl.-Ing. Robert Heller, bei Weiss u. a. für die Konstruktion der Automatisierungseinrichtungen verantwortlich, sagt: «Wir haben das Zusammenspiel von 2K-Maschine und Roboter so strukturiert, dass der Roboter der Master ist und quasi den Takt der Produktion angibt.»

Bereits bewährt

So komplex der Produktionsprozess auch ist: Die Entwickler der drei Unternehmen konnten das Projekt zu einem erfolgreichen Ergebnis führen. Der innovative 2K-Kettenspanner bewährt sich bereits in der Praxis und trägt zum ruhigen, schwingungsarmen Lauf des ebenso leistungsstarken wie energieeffizienten Dreizylindermotors bei. <<

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