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Dienstag, August 22, 2017
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  • Dünnringlager in künstlichem Kniegelenk und E-Bike mit Automatikgetriebe

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    TUM0117 Forschungsbericht

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    nanoscribe0117 Forschungsbericht

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weiss10115Anwenderbericht

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. Ein Werkstattbericht von Weiss Kunststoffverarbeitung zeigt, welche Herausforderungen zu lösen sind und wie sie gemeinsam mit dem Kettenhersteller bei einem Dreizylindermotor gemeistert wurden.



Das Downsizing ist ein wichtiger Trend in der Motorentechnik. Wo bei früheren Generationen eines Automodells wie einem Sechszylinder mit 2,5 l Hubraum zum Einsatz kam, reicht dem neuesten Modell ein hochaufgeladener 1,8 l-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.

Detailarbeit beim Downsizing

Für die Konstrukteure der Motoren 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 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.

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.

Werkstoff schwer zu verarbeiten

weiss20115In der Praxis ist diese Aufgabenstellung aber keineswegs trivial, obwohl der Kunststoffspezialist 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.“

Diese Herausforderungen konnten aber gemeistert werden. Die Haftung des TPE, das mit einer Wandstärke von jeweils 7 mm an beiden Seiten der Schiene angespritzt wird, ist mechanisch gelöst: Durchbrüche im Mittelsteg der Schiene gewährleisten ein Überströmen des Werkstoffs beim Spritzprozess auf beide Seiten und schaffen somit eine zuverlässige Verbindung.

Exakte Taktung von 1K- und 2K-Prozesschritt

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. Weil das Abkühlen des Kettenspanners eine Schwindung des Materials zur Folge hat, muss der Robotergreifer beim Ablegen und Wiederaufnehmen ein und desselben Bauteils die Maßänderungen kompensieren.

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

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

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