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KARL KUHMANN

Z

ur Gewichts- und Funktionsopti- mierung eines Lotus-Exige-Renn- wagens des RED-Motorsportteams wurde ein Ladeluftrohr aus PPA (Po- lyphthalamid; Typ: Vestamid HTplus, Hersteller: Evonik Degussa GmbH) in- nerhalb weniger Wochen entwickelt und das bestehende Aluminiumrohr substi- tuiert (Bild 1). Das PPA-Ladeluftrohr hat sich unter den extremen Bedingungen im Renneinsatz der Saison 2008 bewährt.

Das RED-Motorsportteam hat u. a. bei 24 h-Rennen Spitzenplatzierungen erzielt.

Die Stärken einer kunststofftechni- schen Lösung zeigen sich u.a. in einer Ge- wichtseinsparung von ca. 50 % gegenüber der Aluminiumvariante, einer strö- mungsgünstigen glatten Oberfläche und einer verbesserten Funktionsintegration durch das Anspritzen von Befestigungs- domen zur Aufnahme von Druck- und Temperatursensorik.

Ein Schlüssel für die schnelle Umset- zung war die enge Zusammenarbeit der Projektpartner Evonik (Rohstoffherstel- ler), protoform K. Hofmann GmbH (For- menbau und Prototypenhersteller) und Branson Ultraschall (Schweißanlagen- hersteller). Mit dem Einsatz des Space- Puzzle-Molding-Verfahrens wurden an- forderungsgerechte Formteile in Halb- schalentechnik im vorgegebenen engen

Zeitrahmen hergestellt. Bei der Formteil- entwicklung standen insbesondere die Werkstoffauswahl (z. B. Glasfasergehalt) und die fertigungsgerechte Konstruktion (z. B. Optimierung der Wanddicke und Angussposition, Auslegung der Schweiß- kontur) im Fokus.

Hohes Niveau an Eigenschaften

Mit den neu entwickelten PPA-Form- massen hat der Hersteller sein Portfolio der Hochleistungswerkstoffe im Bereich der Hochtemperatur-Polyamide ergänzt.

Die Verbindung aus hoher Festigkeit, Stei- figkeit und Dimensionsstabilität sowie exzellenter Wärme- und Chemikalienbe- ständigkeit ermöglicht die Realisierung anspruchsvoller Anwendungen u. a. im

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Polyphthalamid. Das Beispiel eines Ladeluftrohrs aus neu entwickeltem

Polyphthalamid zeigt, dass sich entsprechende Bauteile mit einer Kombination aus CAE, Simulation und Prototyping in kürzester Zeit herstellen und unter Rennbedingungen testen lassen. Dieser Weg eröffnet das Potenzial, Gewichts- einsparungen mit Hochleistungskunststoffen gegenüber Metallvarianten schneller realisieren zu können.

ARTIKEL ALS PDFunter www.kunststoffe.de Dokumenten-Nummer KU110156

Im Lotus-Exige-Rennwagen spart ein neu entwickeltes PPA-Ladeluftrohr gegenüber der Aluminiumvariante etwa 50 % an Gewicht

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Automobil sowie in der Industrie- und Elektrotechnik. Füllstofffreie Standard- qualitäten und Formmassen mit einem Glasfasergehalt von bis zu 60 % für Spritzgießanwendungen bilden den Aus- gangspunkt für die laufende Entwicklung von Spezialtypen.

Tabelle 1 zeigt ausgewählte Kurzzeit- eigenschaften für zwei kurzglasfaserge- füllte PPA-Formmassen sowie den unge- füllten Basistyp im Vergleich. Der Glasfa- sergehalt beeinflusst erfahrungsgemäß maßgeblich die mechanischen Eigen- schaften im Zugversuch sowie die Form- beständigkeit in der Wärme. Im Vergleich zu entsprechend glasfaserverstärkten ali- phatischen Polyamiden wie PA 66 bietet Vestamid HTplus aufgrund des hohen Schmelzbereichs von 300 bis 315°C deutlich mehr Reserven bezüglich der Spitzen-

temperaturbelastbarkeit. Außerdem ist die Änderung des mechanischen Verhal- tens bei Wasseraufnahme wesentlich ge- ringer als z. B. bei PA 66. Die höheren Glasübergangstemperaturen von ca.

120°C gewährleisten ein hohes Niveau an Festigkeit und Steifigkeit in einem breiten Temperaturbereich.

Zur Bewertung des thermischen Alte- rungsverhaltens werden mechanische Prüfungen nach Wärmelagerung heran- gezogen. Nach ISO 2578 wird die maxi- male Einsatztemperatur ermittelt, bei der ein Eigenschaftsabfall um 50 % bei einer Lagerdauer von 20 000 h auftritt. Für die glasfaserverstärkten PPA-Formmassen liegt diese Temperatur bezogen auf die Bruchspannung je nach Modifikation bei Werten bis ca. 150°C. Der Anwender soll- te jedoch bei der Beurteilung der heran-

gezogenen Prüfkriterien und -bedingungen stets die relevanten Einsatzbedin- gungen des späteren Bauteils berück- sichtigen.

Im Lastenheft des Ladeluftrohrs wurde die Peaktemperatur auf max. 170 °C abgeschätzt. Beispielhaft zeigt Bild 2 für eine Lagerungszeit bis 2000 h bei 180 °C einen nur geringen Abfall der Bruch- spannung bis ca. 80 % des Ausgangs- werts. Für hohe Langzeittemperaturbe- ständigkeiten sind je nach Randbedin- gungen ggf. spezielle Stabilisierungssys- teme erforderlich.

Konstruktion mit Simulation festlegen

Als Fertigungskonzept wurde die Halb- schalentechnik gewählt, die sich bereits ^V Bild 1. Rennmotor mit Kompressor, Aluminiumladeluftrohren und Ladeluftkühler (links); neu entwickeltes Ladeluftrohr aus PPA (rechts)

Vestamid HT plus

M1000 M1033 M1035

Eigenschaft

GF-Gehalt % 0 30 50

Dichte 23°C g/ml 1,20 1,44 1,64

Mechanische Eigenschaften

Zugversuch

Bruchspannung MPa 90 180 250

Bruchdehunung % 3 2 2

E-Modul MPa 3500 11000 19000

Charpy-Schlagzähigkeit

+23°C kJ/m² 50 45 65

–40°C kJ/m² 40 40 50

Thermische Eigenschaften Vicat-Erweichungs- temperatur

A 10 N °C 302 313 313

B 50 N °C 245 284 289

Formbeständigkeit in der Wärme (HDT) Schmelzbereich

A 1,8 MPa °C 126 296 297

B 0,45 MPa °C 223 312 312

DSC °C 300–315 300–315 300–315

Tabelle 1. Ausgesuchte Kennwerte von Vestamid-HTplus-Formmassen

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in zahlreichen Anwendungen wie den Polyamid-Sauganlagen bewährt hat [1].

Um die notwendige schnelle Umsetzung zu realisieren, wurde das Spritzgussteil für das Space-Puzzle-Molding-Verfah- ren (SPM) der Firma protoform entwickelt. Die spritzgegossenen Formteile wurden anschließend bei der Firma Branson im linearen Vibrationsschweiß- verfahren zum funktionsfähigen Lade- luftrohr gefügt.

Die endgültige Formteil- und Werk- zeugkonstruktion basierte auf Simulati- onsberechnungen mittels Moldflow-3D für Varianten mit 30 und 50 % Glasfa- sergehalt sowie verschiedenen Wand- dicken. Besonderes Augenmerk wurde auf einen geringen Formteilverzug bzw.

Unterschiede der zwei Halbschalen im Hinblick auf den nachfolgenden Schweißprozess gelegt, um möglichst spannungsarme Fertigteile und gutes, passgenaues Positionieren beim Schwei- ßen zu gewährleisten.

Es tritt vornehmlich eine Tendenz zum Winkelverzug des Ladeluftrohrs auf, da- rüber hinaus eine leichte Ovalität und ein geringfügiger Höhenverzug beider Schen-

kel. Bild 3 zeigt exemplarisch den berechneten Winkelverzug für eine Halb- schale (Werte in z-Richtung). Unter den zugrunde liegenden Randbedingungen und Modellannahmen sind die berechneten Werte im Mittel bei 50 % Glasfa- sergehalt etwas kleiner als bei 30 %. Ein Vergleich mit den spritzgegossenen Halb- schalen zeigt eine gute qualitative Über- einstimmung, die gemessenen Werte des Verzugs sind jedoch teilweise deutlich ge- ringer als die berechneten.

Die Schweißkontur wurde mit dem Projektpartner Branson als Doppelsteg- geometrie festgelegt und hinsichtlich Spritzgießfertigung optimiert. Zum einen muss eine gute Amplitudenübertragung im Schweißwerkzeug gewährleistet sein, zum anderen soll der mögliche Eintrag von Fusseln ins Rohrinnere minimiert werden (Bild 4).

Nach Auswertung aller Daten wurde das Formteil (Rohrlänge 610 mm, In- nendurchmesser 57 mm) für das Proto- typenwerkzeug in 3,5 mm Wanddicke und 30 % Glasfasergehalt realisiert. Die berechneten Fülldrücke erlauben eine weitere Reduzierung der gewählten Wanddicke und somit eine weitere Gewichtseinsparung.

Prototyp wirtschaftlich herstellen

Space Puzzle Molding (SPM) ist ein kombiniertes Rapid Tooling- und Rapid-Prototy- ping-Verfahren der Firma protoform, das schnell voll- wertige Formwerkzeuge für das Kunststoff-Spritzgießen liefert [2]. Durch den modu- laren Werkzeugaufbau kann auf eine aufwendige, kompli- zierte Schieber- und Auswer-

ferkonstruktion sowie Kühlsysteme ver- zichtet werden. Hinterschneidungen werden durch demontierbare und eingeleg- te Formeinsätze realisiert. Durch dieses Konzept können die Werkzeuge in sehr kurzen Durchlaufzeiten hergestellt werden. Änderungen oder Modifizierungen der Formwerkzeuge, auch von Angusssys- temen und Anspritzung sind relativ leicht möglich. So können Erkenntnisse aus ers- ten Abmusterungen oder Formteilprü- fungen schnell in weitere Formteilopti- mierungen eingebracht werden.

Für die Produktion des Ladeluftrohrs wird das SPM-Werkzeug mittels paten- tiertem Formträgerrahmen an die tem- perierte Stammform auf der Spritzgieß- maschine angekoppelt. Für das PPA wurde die angestrebte Werkzeugoberflächen- temperatur von 150 °C durch die Temperierung der Stammform problem- los erreicht. Das Spritzgießen beider Halbschalen erfolgte bei 345 °C Masse- temperatur auf einer Demag Ergotec 420- 2300 mit 420 t Schließkraft und einer 60 mm-Schnecke. Nach Ablauf der Kühl- zeit und Entkopplung von der Stamm-

form erfolgt die manuelle Entformung der Halbschale aus dem SPM-Werkzeug auf einer beheizten Montageplatte (Bild 5). Ein typischer Zyklus zur Her- stellung eines Prototypen-Formteils dau- erte weniger als 6 min inklusive Aufheiz- phase der Form. Der nächste Zyklus be- ginnt mit dem Aufdosieren frischen Ma- terials kurz vor Beginn des Einspritzens.

Schweißnaht hält sicher

Die Analyse der erreichbaren Schweiß- nahtfestigkeiten für das neue Material erfolgte im Rahmen der Entwicklung durch lineares Vibrationsschweißen auf einer Schweißanlage Branson M-102 H (240 Hz) beim Projektpartner Branson.

Für Vorversuche wurden Proben 100 mm

×55 mm ×4 mm aus spritzgegossenen Platten entnommen und verschweißt. Die Beurteilung der Schweißnahtfestigkeit erfolgte durch Kurzzeitzugversuche an 10 mm breiten Stäben.

Evonik Degussa GmbH Paul-Baumann-Str. 1 D-45772 Marl Tel. +49 2365 49-2154 Fax +49 2365 49-5992 www.evonik.com

Hersteller

i

Lagerungsdauer 100

80

60 40

20

0

%

0 500 1000 h 2000

relative Bruchspannung

Vestamid HTplus M1033 Vestamid HTplus M1035

Bruchspannung

Bild 2. Verlauf der Bruchspannung von PPA Vestamid HTplus mit 30 und 50 % Glas- faseranteilen nach Wärmealterung bei 180°C (Ursprungs- wert der ungealterten Probe 100 %)

Bild 3. Berechnete Werte für Schwindung und Verzug (z-Richtung) einer Halbschale aus Vestamid HTplus M1033 mittels Moldflow 3D

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Durch Anpassung der Pro- zessparameter (Amplitude, Fügeweg, Fügedruck) wurden in Vorversuchen für zwei PPA- Formmassen mit Glasfaserge- halten von 30 und 50 % gute Nahtfestigkeiten von über 60 MPa erreicht, ein signifi- kanter Unterschied der erreichbaren Nahtfestigkeiten beider Formmassen war nicht zu verzeichnen (Bild 6).

Weiterführende Versuche mit dem unverstärkten PPA- Basistyp (Typ: Vestamid HTplus M1000) im Vergleich zu den beiden glasfaserver- stärkten Typen zeigen, dass die erreichbaren Schweißnaht- festigkeiten zwar mit der Prozessführung variieren, jedoch im Mittel für diese Formmassen in etwa ver- gleichbar sind. Somit wird die Schweißnahtfestigkeit durch die Eigenschaften der Matrix bestimmt und keine relevante Verstärkungswirkung durch Fasern über die Naht hinweg erzielt.

Exemplarische Zugversu- che unter erhöhten Tempera- turen bei 170 °C im Vergleich zur Raumtemperatur deuten

für die glasfaserverstärkten Typen einen Abfall der Schweißnahtfestigkeit auf etwa 30 % des Ausgangswerts bei 23°C an. Die- se prozentuale Abminderung bewegt sich im Bereich des temperaturbedingten Ab- falls der Zugfestigkeit des Grundwerk- stoffs.

Die Erkenntnisse der Plattenschwei- ßungen wurden auf das Vibrations- schweißen der Halbschalen auf einer

Branson M-624H übertragen. Eine Ver- besserung des Handlings wurde durch die Vorwärmung der Formteile auf ca. 130°C erzielt. Die Prozessparameter wurden an- hand von Berstdruckprüfungen bei 23 °C angepasst, der erzielte mittlere Berstdruck für 23 °C lag bei ca. 10 bar. Auch nach einer Lagerung der Ladeluftrohre aus PPA (Typ: Vestamid HTplus M1033) bei 170 °C/1000 h ergeben sich noch Berst-

drücke von ca. 6 bar bei Prü- fung unter erhöhter Tempera- tur von 150 °C. Es handelt sich jedoch aufgrund begrenzter Probenzahl um Werte, die ggf.

um weitere Messungen zu er- gänzen sind.

Die Berstdrücke liegen deutlich über den geforderten Werten von 1 bar. Erfah- rungsgemäß kann eine lokal variierende Schweißnahtqua- lität durch prozesstechnische und konstruktive Optimie- rungen im Bereich der Schweißkontur (z.B. Anpas- sung des Abschweißwegs) häufig weiter verbessert werden [3] .

Fazit und Ausblick

In Kooperation der genannten Projektpartner konnten unter Einsatz von CAE, Modellver- suchen und des Space Puzzle Moldings in kürzester Zeit Formteile entwickelt und unter Rennbedingungen einge- setzt werden. Das Beispiel des Ladeluftrohrs zeigt das Poten- zial von Bauteilen aus Hoch- leistungskunststoffen für Ge- wichtseinsparungen und für funktionsintegrierte, konstruktiv und fer- tigungstechnisch anspruchsvolle und zu- gleich auch einfache Lösungen.

Eine zusätzliche Gewichtsreduzierung kann für diese Grundgeometrie unter Um- gehung des Schweißprozesses erzielt werden, indem die Wanddicke noch weiter re- duziert und durch Schiebertechnik ein ein- teiliges Rohr direkt im Spritzgießverfah- ren endkonturnah gefertigt wird. ^V

Bild 5. Bauteilfertigung: Spritzgießen mittels Space-Puzzle-Molding-Verfahren (Entformung einer Halbschale; links) und Vibrationsschweißen (Formteil, eingelegt in das Unterwerkzeug der Vibrationsschweißanlage; rechts)

Bild 4. Konstruktion in Halbschalentechnik (oben); Ausführung einer prozesssicheren Schweißnaht (unten)

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Die vorgestellten PPA-Formmassen sind bei entsprechender Formteil- und Prozessauslegung für verzugsarme, me- chanisch und thermisch hoch belastbare Formteile prädestiniert, die Metallteile substituieren können. Die Hochleis- tungskunststoffe sind auch im SPM-Pro- zess bei den benötigten höheren Werk- zeug- und Massetemperaturen problem- los verarbeitbar und mittels Vibrations- schweißprozess gut zu fügen.

Aktuelle Entwicklungsaktivitäten bei diesen Formmassen betreffen Modifi- zierungen für weitere Verarbeitungs- technologien wie die Extrusion oder das Mehrkomponentenspritzgießen. So sind inzwischen erste PPA-Formmassen

verfügbar, die stoffschlüssige Verbunde mit vernetzenden Elastomeren wie FKM (Fluorkautschuk) und HNBR (Hydrier- ter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) auf Basis der von Evonik patentierten Kunststoff-Kautschuk-Technologie im Verbundspritzgießverfahren ermögli- chen [4]. Dies eröffnet zahlreiche An- wendungen nicht nur im Automobilbe- reich.■

LITERATUR

1 Vetter, J.: Vibrationsschweißen in: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik, Hrsg. Gottfried W.

Ehrenstein; Carl Hanser Verlag, München 2004 2 Trapp, W. G.: Wirtschaftliche Produktion von

Kleinserien. Kunststoffe 96 (2006) 3, S. 134–136

3 Gehde, M.: Qualitätsanforderungen in Schweiß- und Fügeprozessen. Tagungsband BMBF/Kunst- stoffzentrum in Leipzig gGmbH, Innovationsforum Leipzig 2007

4 Lorenz, F., Kuhmann, K.: Thermoplast meets Kau- tschuk. Kunststoff Trends 2008 (4), S. 28–29 DER AUTOR

DR.-ING. KARL KUHMANN, geb. 1964, ist bei der Evonik Degussa GmbH, Marl, als Gruppenleiter für Processing Technology and Development in der An- wendungstechnik tätig; karl.kuhmann@evonik.com.

SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL

From 0 to 100 in Three Seconds

METAL REPLACEMENT IN RACING CARS. The ex- ample of a charge-air duct produced from newly developed polyphthalamide shows that suitable components can be manufactured and tested un- der racing conditions in a very short time using a combination of CAE, simulation and prototyp- ing. This approach offers the potential to achieve faster implementation of weight-saving designs based on high-performance plastics instead of metal.

NOTE: You can read the complete article in our magazine Kunststoffe international and by enter- ing the document number PE110156on our website at www.kunststoffe-international.com Fügeweg

100

80

60

40 20

0 MPa

1,0 1,5 mm

Bruchspannung

Vestamid HTplus M1033 Vestamid HTplus M1035

Schweißnahtfestigkeit

Bild 6. Schweißnaht- festigkeit von Plat- tenschweißungen bei Variation des Füge- wegs (Fügedruck 2 MPa; Amplitude 1,8 mm; Zugversuche an Stäben der Dimen- sion 110 mm x 10 mm x 4 mm bei 23°C; Ab- zuggeschwindigkeit 50 mm/min)