Heiße Luft: Metallersatz ganz nah am Motor

24.06.2010 | Ludwigshafen
Hohe Ölpreise, zunehmendes Umweltbewusstsein sowie sich wandelnde politische Rahmenbedingungen rücken das Thema Energieeffizienz im Fahrzeugbau immer mehr in den Vordergrund. Eine Schlüsselrolle kommt hier dem Leichtbau und damit dem Metallersatz durch Kunststoffe zu.

Aufgrund der steigenden Anforderungen wird es jedoch speziell im heißen Motorbereich immer schwieriger, Metall durch polymere Werkstoffe zu ersetzen: Hochleistungskunststoffe scheiden oft wegen der Systemkosten aus. Die Leistungsfähigkeit der übrigen Kunststoffe genügt hingegen den heutigen Anforderungen nicht mehr.

Mit der neuen Polyamid-(PA-)Spezialität Ultramid" Endure, ist es den Forschern der BASF nun gelungen, einen Ausweg aus dieser Sackgasse zu finden. Bei dem Material handelt es sich um ein glasfaserverstärktes Polyamid, das eine ausgezeichnete Wärmealterungsbeständigkeit mit der guten Verarbeitbarkeit von PA 66 vereint. Gegenüber dem Standard-PA 66-Material Ultramid" A3WG7 wurde die Verarbeitbarkeit sogar noch einmal deutlich verbessert. Durch diese Eigenschaftskombination wird es möglich, auch Bauteile unter der Motorhaube, die sehr heißer Luft ausgesetzt sind, zu vertretbaren Systemkosten aus Kunststoff herzustellen und so in hohem Maß zur Gewichtsreduktion beizutragen.

Hohe Dauertemperaturbeständigkeit durch neue Stabilisierung

Das neue Ultramid Endure widersteht mühelos einer Dauerbelastung von bis zu 220 und Spitzenbelastungen bis 240 Grad Celsius. Es erweitert damit das Anwendungsspektrum der Polyamide bis in den Hochtemperaturbereich. Im Vergleich dazu erreicht Ultramid A3WG7 mit gleichem Glasfasergehalt eine Dauertemperaturbeständigkeit von 170 Grad Celsius, die Produkte des temperaturbeständigeren Ultramid W2-Portfolios (PA 66/6) wie Ultramid A3W2G6 halten 190 Grad Celsius im Dauereinsatz stand.

Erreicht wird diese enorme Verbesserung der Wärmealterungs-beständigkeit durch eine bei der BASF entwickelte innovative Stabilisierungstechnologie. Das Material wird unter anderem durch Ausbildung einer schützenden Oberflächenschicht selbst bei Temperaturen von bis zu 220 Grad Celsius dauerhaft vor Angriffen durch Sauerstoff bewahrt.

Besonders gut lässt sich dieser Effekt an den gealterten Oberflächen erkennen. Im konventionellen PA 66 hat der Sauerstoff nach 1000 Stunden bei 220 Grad Celsius Kanäle in die Oberfläche gefressen, durch die immer mehr Sauerstoff in immer tiefer liegende Schichten gelangen und diese angreifen kann. Bei Ultramid Endure wird die Oberfläche durch den neuartigen Stabilisierungs- und Versiegelungs-prozess sehr früh verschlossen, so dass das Material auch nach über vier Monaten bei 220 Grad Celsius - abgesehen von einer dünnen Rußschicht an der Oberfläche - verschont bleibt.

Häufig werden Bauteile unter der Motorhaube über Schweißverfahren miteinander verbunden. Aufgrund des geringeren Glasfasergehalts kann die Schweißnaht, besonders nach Alterung, eine Schwachstelle darstellen. Der neuartige Stabilisierungsmechanismus schützt nicht nur das Polymer selbst, sondern stärkt auch diese potenzielle Schwachstelle. Die Schweißnähte halten dem Dauereinsatz bei hohen Temperaturen ebenfalls sehr gut stand. Selbst nach 1000 Stunden bei 220 Grad Celsius ist keine Rissbildung an der Verbindungsstelle zu erkennen. Entsprechend hoch ist die Festigkeit der Naht.

Benchmarking mit sehr gut bestanden

Im Langzeitversuch bei 220 Grad Celsius behält das Ultramid Endure seine hohen Festigkeitswerte dank dieser Stabilisierung auch nach 3000 Stunden noch bei, während sich bei PA 66/6 oder noch leistungsfähigeren Thermoplasten wie PPA bereits nach relativ kurzer Versuchsdauer starke Einbrüche zeigen.

Für die Bauteilauslegung spielen neben dem Einfluss der Alterung vor allem die Materialeigenschaften bei Dauergebrauchstemperatur eine entscheidende Rolle. Von besonderer Bedeutung sind die Zähigkeits- und Festigkeitswerte. Liegen sie hoch genug, können die Wanddicken verringert werden, ohne die Zuverlässigkeit des Bauteils zu gefährden. Auch hier schneidet Ultramid Endure außerordentlich gut ab. Seine Bruchspannung bei 200 Grad Celsius liegt deutlich über den Werten der Vergleichsprodukte.

Außer der Leistungsfähigkeit eines Bauteils sind für die Entwickler die Systemkosten ein wichtiges Kriterium. Sie werden in hohem Maß durch die Verarbeitbarkeit des verwendeten Materials bestimmt. Der neue Kunststoff bietet eine problemlose Verarbeitung mit einem deutlich breiteren Verarbeitungsfenster als andere Hochleistung-swerkstoffe.

Werkstoff für moderne Motorenkonzepte

Durch den Trend zur Effizienzsteigerung im Fahrzeugbau steigen die Temperaturen im Motorraum kontinuierlich an. So versuchen die Automobilhersteller heute unter anderem durch höher aufgeladene Motoren die Energieeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern.

Durch die Aufladung, also die Zufuhr von mehr Luft, lässt sich die Leistung des Motors an einen verbrauchsmäßig günstigeren Betriebspunkt verschieben. Dabei werden Turbolader eingesetzt, die für höhere Drücke und Temperaturen im Motorraum, speziell in der Ladeluftstrecke, sorgen. Bei aufgeladenen Dieselmotoren zum Beispiel herrschen im Bereich zwischen Turbolader und Ladeluftkühler Betriebstemperaturen bis 200 und Spitzentemperaturen bis 230 Grad Celsius.

Gleichzeitig wollen die Automobilbauer aus Gewichtsgründen Metall durch Kunststoff ersetzen, und das bei möglichst niedrigen Bauteilkosten. Bisher steht in diesem Temperaturfenster aber keine preislich akzeptable Alternative zu den deutlich teureren Hochleistungskunststoffen zur Verfügung. Das Ultramid Endure mit seinem außergewöhnlich guten Wärmealterungsverhalten und der guten Verarbeitbarkeit schließt diese Lücke und wird den Anteil an Kunststoffen im Ladeluftbereich von Dieselmotoren erheblich erhöhen. Mögliche Anwendungen sind alle Bauteile der Ladeluftstrecke wie Ladeluftkühlerkappen, Resonatoren, Ladeluftleitungen und Drossel-klappen aber ebenso Komponenten an der weniger heißen Seite des Turboladers. Ein weiteres zukünftiges Anwendungsfeld für das neue Material könnten Saugrohre mit integrierten wassergekühlten Ladeluftkühlern sein. Aufgrund der hohen Temperaturen bei diesen speziellen Saugrohren stoßen die klassischen Saugrohrwerkstoffe (PA 6) an ihre Grenzen.

Die neue Polyamid-Spezialität der BASF wird zur K-Messe in den Markt eingeführt. Mustermengen stehen in Europa ab Oktober zur Verfügung.

Quelle: Pressemeldung BASF SE