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1 In drei Sekunden von 0 auf 100 Im Lotus-Exige-Rennwagen spart ein neu entwickeltes PPA-Ladeluftrohr gegenüber der Aluminiumvariante etwa 50 % an Gewicht 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, Gewichtseinsparungen mit Hochleistungskunststoffen gegenüber Metallvarianten schneller realisieren zu können. KARL KUHMANN Z ur Gewichts- und Funktionsoptimierung eines Lotus-Exige-Rennwagens des RED-Motorsportteams wurde ein Ladeluftrohr aus PPA (Polyphthalamid; Typ: Vestamid HTplus, Hersteller: Evonik Degussa GmbH) innerhalb weniger Wochen entwickelt und das bestehende Aluminiumrohr substituiert (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. ARTIKEL ALS PDF unter Dokumenten-Nummer KU Die Stärken einer kunststofftechnischen Lösung zeigen sich u.a. in einer Gewichtseinsparung von ca. 50 % gegenüber der Aluminiumvariante, einer strömungsgünstigen glatten Oberfläche und einer verbesserten Funktionsintegration durch das Anspritzen von Befestigungsdomen zur Aufnahme von Druck- und Temperatursensorik. Ein Schlüssel für die schnelle Umsetzung war die enge Zusammenarbeit der Projektpartner Evonik (Rohstoffhersteller), protoform K. Hofmann GmbH (Formenbau und Prototypenhersteller) und Branson Ultraschall (Schweißanlagenhersteller). Mit dem Einsatz des Space- Puzzle-Molding-Verfahrens wurden anforderungsgerechte Formteile in Halbschalentechnik im vorgegebenen engen Zeitrahmen hergestellt. Bei der Formteilentwicklung standen insbesondere die Werkstoffauswahl (z.b. Glasfasergehalt) und die fertigungsgerechte Konstruktion (z.b. Optimierung der Wanddicke und Angussposition, Auslegung der Schweißkontur) im Fokus. Hohes Niveau an Eigenschaften Mit den neu entwickelten PPA-Formmassen hat der Hersteller sein Portfolio der Hochleistungswerkstoffe im Bereich der Hochtemperatur-Polyamide ergänzt. Die Verbindung aus hoher Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität sowie exzellenter Wärme- und Chemikalienbeständigkeit ermöglicht die Realisierung anspruchsvoller Anwendungen u.a. im 58 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 7/2009

2 SPECIAL Bild 1. Rennmotor mit Kompressor, Aluminiumladeluftrohren und Ladeluftkühler (links); neu entwickeltes Ladeluftrohr aus PPA (rechts) Automobil sowie in der Industrie- und Elektrotechnik. Füllstofffreie Standardqualitäten und Formmassen mit einem Glasfasergehalt von bis zu 60 % für Spritzgießanwendungen bilden den Ausgangspunkt für die laufende Entwicklung von Spezialtypen. Tabelle 1 zeigt ausgewählte Kurzzeiteigenschaften für zwei kurzglasfasergefüllte PPA-Formmassen sowie den ungefüllten Basistyp im Vergleich. Der Glasfasergehalt beeinflusst erfahrungsgemäß maßgeblich die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch sowie die Formbeständigkeit in der Wärme. Im Vergleich zu entsprechend glasfaserverstärkten aliphatischen Polyamiden wie PA66 bietet Vestamid HTplus aufgrund des hohen Schmelzbereichs von 300 bis 315 C deutlich mehr Reserven bezüglich der Spitzentemperaturbelastbarkeit. Außerdem ist die Änderung des mechanischen Verhaltens bei Wasseraufnahme wesentlich geringer als z.b. bei PA66. Die höheren Glasübergangstemperaturen von ca. 120 C gewährleisten ein hohes Niveau an Festigkeit und Steifigkeit in einem breiten Temperaturbereich. Zur Bewertung des thermischen Alterungsverhaltens werden mechanische Prüfungen nach Wärmelagerung herangezogen. Nach ISO 2578 wird die maximale Einsatztemperatur ermittelt, bei der ein Eigenschaftsabfall um 50 % bei einer Lagerdauer von 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 sollte jedoch bei der Beurteilung der herangezogenen Prüfkriterien und -bedingungen stets die relevanten Einsatzbedingungen des späteren Bauteils berücksichtigen. 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 Bruchspannung bis ca. 80 % des Ausgangswerts. Für hohe Langzeittemperaturbeständigkeiten sind je nach Randbedingungen ggf. spezielle Stabilisierungssysteme erforderlich. Konstruktion mit Simulation festlegen Als Fertigungskonzept wurde die Halbschalentechnik gewählt, die sich bereits V Eigenschaft Vestamid HT plus M1000 M1033 M1035 GF-Gehalt % Dichte 23 C g/ml 1,20 1,44 1,64 Mechanische Eigenschaften Zugversuch Charpy-Schlagzähigkeit Thermische Eigenschaften Bruchspannung MPa Bruchdehunung % E-Modul MPa C kj/m C kj/m Vicat-Erweichungstemperatur A 10 N C B 50 N C Formbeständigkeit in der A 1,8 MPa C Wärme (HDT) B 0,45 MPa C Schmelzbereich DSC C Tabelle 1. Ausgesuchte Kennwerte von Vestamid-HTplus-Formmassen Kunststoffe 7/

3 Bruchspannung relative Bruchspannung 100 % Vestamid HTplus M h 2000 Lagerungsdauer Kunststoffe Vestamid HTplus M1035 Bild 2. Verlauf der Bruchspannung von PPA Vestamid HTplus mit 30 und 50 % Glasfaseranteilen nach Wärmealterung bei 180 C (Ursprungswert der ungealterten Probe 100 %) 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-Verfahren (SPM) der Firma protoform entwickelt. Die spritzgegossenen Formteile wurden anschließend bei der Firma Branson im linearen Vibrationsschweißverfahren zum funktionsfähigen Ladeluftrohr gefügt. Die endgültige Formteil- und Werkzeugkonstruktion basierte auf Simulationsberechnungen mittels Moldflow-3D für Varianten mit 30 und 50 % Glasfasergehalt sowie verschiedenen Wanddicken. 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 Schweißen zu gewährleisten. Es tritt vornehmlich eine Tendenz zum Winkelverzug des Ladeluftrohrs auf, darüber hinaus eine leichte Ovalität und ein geringfügiger Höhenverzug beider Schenkel. Bild 3 zeigt exemplarisch den berechneten Winkelverzug für eine Halbschale (Werte in z-richtung). Unter den zugrunde liegenden Randbedingungen und Modellannahmen sind die berechneten Werte im Mittel bei 50 % Glasfasergehalt etwas kleiner als bei 30 %. Ein Vergleich mit den spritzgegossenen Halbschalen zeigt eine gute qualitative Übereinstimmung, die gemessenen Werte des Verzugs sind jedoch teilweise deutlich geringer als die berechneten. Die Schweißkontur wurde mit dem Projektpartner Branson als Doppelsteggeometrie 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, Innendurchmesser 57 mm) für das Prototypenwerkzeug in 3,5 mm Wanddicke und 30 % Glasfasergehalt realisiert. Die berechneten Fülldrücke erlauben eine weitere Reduzierung der gewählten Wanddicke und somit eine weitere Gewichtseinsparung. i Hersteller Evonik Degussa GmbH Paul-Baumann-Str. 1 D Marl Tel Fax Space Puzzle Molding (SPM) ist ein kombiniertes Rapid Tooling- und Rapid-Prototyping-Verfahren der Firma protoform, das schnell vollwertige Formwerkzeuge für das Kunststoff-Spritzgießen liefert [2]. Durch den modularen Werkzeugaufbau kann auf eine aufwendige, komplizierte Schieber- und Auswerferkonstruktion sowie Kühlsysteme verzichtet werden. Hinterschneidungen werden durch demontierbare und eingelegte Formeinsätze realisiert. Durch dieses Konzept können die Werkzeuge in sehr kurzen Durchlaufzeiten hergestellt werden. Änderungen oder Modifizierungen der Formwerkzeuge, auch von Angusssystemen und Anspritzung sind relativ leicht möglich. So können Erkenntnisse aus ersten Abmusterungen oder Formteilprüfungen schnell in weitere Formteiloptimierungen eingebracht werden. Für die Produktion des Ladeluftrohrs wird das SPM-Werkzeug mittels patentiertem Formträgerrahmen an die temperierte Stammform auf der Spritzgießmaschine angekoppelt. Für das PPA wurde die angestrebte Werkzeugoberflächentemperatur von 150 C durch die Temperierung der Stammform problemlos erreicht. Das Spritzgießen beider Halbschalen erfolgte bei 345 C Massetemperatur auf einer Demag Ergotec mit 420 t Schließkraft und einer 60 mm-schnecke. Nach Ablauf der Kühlzeit und Entkopplung von der Stammform erfolgt die manuelle Entformung der Halbschale aus dem SPM-Werkzeug auf einer beheizten Montageplatte (Bild 5). Ein typischer Zyklus zur Herstellung eines Prototypen-Formteils dauerte weniger als 6 min inklusive Aufheizphase der Form. Der nächste Zyklus beginnt mit dem Aufdosieren frischen Materials kurz vor Beginn des Einspritzens. Bild 3. Berechnete Werte für Schwindung und Verzug (z-richtung) einer Halbschale aus Vestamid HTplus M1033 mittels Moldflow 3D Prototyp wirtschaftlich herstellen Schweißnaht hält sicher Die Analyse der erreichbaren Schweißnahtfestigkeiten 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. 60 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 7/2009

4 SPECIAL Durch Anpassung der Prozessparameter (Amplitude, Fügeweg, Fügedruck) wurden in Vorversuchen für zwei PPA- Formmassen mit Glasfasergehalten von 30 und 50 % gute Nahtfestigkeiten von über 60 MPa erreicht, ein signifikanter 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 glasfaserverstärkten Typen zeigen, dass die erreichbaren Schweißnahtfestigkeiten zwar mit der Prozessführung variieren, jedoch im Mittel für diese Formmassen in etwa vergleichbar sind. Somit wird die Schweißnahtfestigkeit durch die Eigenschaften der Matrix bestimmt und keine relevante Verstärkungswirkung durch Fasern über die Naht hinweg erzielt. Exemplarische Zugversuche unter erhöhten Temperaturen 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. Diese prozentuale Abminderung bewegt sich im Bereich des temperaturbedingten Abfalls der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs. Die Erkenntnisse der Plattenschweißungen wurden auf das Vibrationsschweißen der Halbschalen auf einer Bild 4. Konstruktion in Halbschalentechnik (oben); Ausführung einer prozesssicheren Schweißnaht (unten) Branson M-624H übertragen. Eine Verbesserung des Handlings wurde durch die Vorwärmung der Formteile auf ca. 130 C erzielt. Die Prozessparameter wurden anhand 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 Berstdrücke von ca. 6 bar bei Prüfung unter erhöhter Temperatur von 150 C. Es handelt sich jedoch aufgrund begrenzter Probenzahl um Werte, die ggf. um weitere Messungen zu ergänzen sind. Die Berstdrücke liegen deutlich über den geforderten Werten von 1 bar. Erfahrungsgemäß kann eine lokal variierende Schweißnahtqualität durch prozesstechnische und konstruktive Optimierungen im Bereich der Schweißkontur (z.b. Anpassung des Abschweißwegs) häufig weiter verbessert werden [3]. Fazit und Ausblick In Kooperation der genannten Projektpartner konnten unter Einsatz von CAE, Modellversuchen und des Space Puzzle Moldings in kürzester Zeit Formteile entwickelt und unter Rennbedingungen eingesetzt werden. Das Beispiel des Ladeluftrohrs zeigt das Potenzial von Bauteilen aus Hochleistungskunststoffen für Gewichtseinsparungen und für funktionsintegrierte, konstruktiv und fertigungstechnisch anspruchsvolle und zugleich auch einfache Lösungen. Eine zusätzliche Gewichtsreduzierung kann für diese Grundgeometrie unter Umgehung des Schweißprozesses erzielt werden, indem die Wanddicke noch weiter reduziert und durch Schiebertechnik ein einteiliges Rohr direkt im Spritzgießverfahren 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) Kunststoffe 7/

5 Schweißnahtfestigkeit Bruchspannung 100 MPa Vestamid HTplus M1033 1,0 1,5 mm Fügeweg Kunststoffe Die vorgestellten PPA-Formmassen sind bei entsprechender Formteil- und Prozessauslegung für verzugsarme, mechanisch und thermisch hoch belastbare Formteile prädestiniert, die Metallteile substituieren können. Die Hochleistungskunststoffe sind auch im SPM-Prozess bei den benötigten höheren Werkzeug- und Massetemperaturen problemlos verarbeitbar und mittels Vibrationsschweißprozess gut zu fügen. Aktuelle Entwicklungsaktivitäten bei diesen Formmassen betreffen Modifizierungen für weitere Verarbeitungstechnologien wie die Extrusion oder das Mehrkomponentenspritzgießen. So sind inzwischen erste PPA-Formmassen Vestamid HTplus M1035 Bild 6. Schweißnahtfestigkeit von Plattenschweißungen bei Variation des Fügewegs (Fügedruck 2 MPa; Amplitude 1,8 mm; Zugversuche an Stäben der Dimension 110 mm x 10 mm x 4 mm bei 23 C; Abzuggeschwindigkeit 50 mm/min) verfügbar, die stoffschlüssige Verbunde mit vernetzenden Elastomeren wie FKM (Fluorkautschuk) und HNBR (Hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) auf Basis der von Evonik patentierten Kunststoff-Kautschuk-Technologie im Verbundspritzgießverfahren ermöglichen [4]. Dies eröffnet zahlreiche Anwendungen nicht nur im Automobilbereich. LITERATUR 1 Vetter, J.: Vibrationsschweißen in: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik, Hrsg. Gottfried W. Ehrenstein; Carl Hanser Verlag, München Trapp, W. G.: Wirtschaftliche Produktion von Kleinserien. Kunststoffe 96 (2006) 3, S Gehde, M.: Qualitätsanforderungen in Schweißund Fügeprozessen. Tagungsband BMBF/Kunststoffzentrum in Leipzig ggmbh, Innovationsforum Leipzig Lorenz, F., Kuhmann, K.: Thermoplast meets Kautschuk. Kunststoff Trends 2008 (4), S DER AUTOR DR.-ING. KARL KUHMANN, geb. 1964, ist bei der Evonik Degussa GmbH, Marl, als Gruppenleiter für Processing Technology and Development in der Anwendungstechnik tätig; SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL From 0 to 100 in Three Seconds METAL REPLACEMENT IN RACING CARS. The example of a charge-air duct produced from newly developed polyphthalamide shows that suitable components can be manufactured and tested under racing conditions in a very short time using a combination of CAE, simulation and prototyping. 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 entering the document number PE on our website at 62 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 7/2009

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