Bolster Active Grille Shutter

Meinolf Droege,

Engineering-Know-how kombiniert

Richtige Materialauswahl, werkstoffgerechtes Bauteildesign sowie die rheologische und mechanische Simulation sind Dreh- und Angelpunkte der erfolgreichen Entwicklung komplexer Kunststoffteile. Das zeigt Lanxess am Beispiel des mit Polyamid 6 in Hybridbauweise gefertigte Bolster Active Grille Shutter (BAGS) für den neuen Ford Focus.

Bei der Entwicklung des BAGS arbeiteten Ford, Röchling und Lanxess eng zusammen. Die Luftklappensysteme verbessern die Aerodynamik des Fahrzeugs und senken so dessen CO2-Ausstoß. © Lanxess

Bei dem Bauteil handelt es sich um einen Frontendträger (Bolster), in den eine aktiv steuerbare Einheit aus vier Luftklappensystemen (Active Grille Shutter) integriert ist. Diese ermöglicht eine bedarfsorientierte Luftzufuhr zum Kühlsystem des Motors und sorgt beim Kaltstart dafür, dass der Motor schneller seine Betriebstemperatur erreicht, was den Kraftstoffverbrauch reduziert. Darüber hinaus verringern die lamellenartigen Klappen im normalen Fahrbetrieb den Luftwiderstand des Fahrzeugs.

Der BAGS ist seitlich mit den Längsträgern verschraubt. Als Strukturbauteil muss er hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen erfüllen. Er wird daher in Kunststoff-Metall-Verbund- bzw. Hybridtechnik gefertigt. Metalleinleger befinden sich an den Seiten und im Obergurt. Letzterer enthält auch das Haubenschloss und ist dadurch hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Der Bolster hat zahlreiche Schnittstellen zu anderen Systemen des Vorderwagens – etwa zu Sensoren, Leitungen und zum Luftführungssystem – und ist deshalb ein hochintegriertes Bauteil. Seine Hauptaufgabe ist es, die schweren Kühlsysteme zu tragen und in Position zu halten. Darüber hinaus sind neben dem Active Grill Shutter, der über einen Hebel gesteuert wird, zahlreiche Funktionen wie Führungen, Aufnahmen für den kompletten Elektromotor und Befestigungselemente integriert.

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Der Schieber ist mit einer Sollbruchstelle ausgestattet, die im Falle eines leichten Crashs kontrolliert versagt, was das Ausmaß der Schäden gering hält. © Lanxess

Als Spritzgießmaterial dient ein anwendungsspezifisch angepasstes, mit 35 Prozent Kurzglasfasern verstärktes Polyamid 6 aus der Produktfamilie Durethan. Gründe für seinen Einsatz waren im Vergleich zu Polypropylen unter anderem die deutlich bessere Wärmeformbeständigkeit, die beispielsweise bei geschlossenen Kühllamellen benötigt wird, und die höhere Festigkeit der Bindenähte, die eine hohe mechanische Belastbarkeit des Strukturbauteils unterstützt.

Zusammenarbeit über gesamte Entwicklungskette

Bei der Entwicklung des Serienbauteils arbeiteten OEM, Systemlieferant und Rohstoffhersteller von der ersten Idee über die Konstruktion, den Werkzeugbau, die Bauteilprüfung und Abmusterung bis zum Produktionsstart eng zusammen. Seitens Ford wurden für den Start der Entwicklung der Bauraum und die wichtigsten Eigenschaften des Strukturbauteils wie Crash-Verhalten, Traglasten und Auslegung in Hybridbauweise festgelegt. Lanxess sprach mit Blick auf diese Vorgaben eine Materialempfehlung aus und machte auf Basis der Berechnung von ersten wichtigen Lastfällen – wie Versicherungseinstufungstests – einen virtuellen, kunststoffgerechten Entwurf zur Gestaltung des Bauteils inklusive einer verstärkenden Rippenstruktur. Ziel war, die Machbarkeit des Bauteils hinsichtlich Lastfälle, Bauraum, Materialien und wirtschaftlicher Fertigung nachzuweisen.

Sichere Direktverschraubung

Im Rahmen der Materialempfehlung passte Lanxess das avisierte Polyamid 6 an die Anwendung an. So zeichnet sich der glasfaserverstärkte Thermoplast unter anderem durch einen geringeren Verlust der Vorspannkraft nach dem Verschrauben aus. Dies ist wichtig, weil für den BAGS an einigen Stellen Direktverschraubungen vorgesehen waren. Diese sind deutlich kostengünstiger, weil Metallinserts eingespart werden können und stattdessen direkt in den Kunststoff geschraubt werden kann. In vergleichenden Versuchen konnte Lanxess zeigen, dass die Direktverschraubungen mit dem gewählten Polyamid 6 stabiler, langlebiger und sicherer auszulegen sind als mit Polypropylen. Dies hat auch eine höhere Prozesssicherheit bei der Vor- und Endmontage der Baugruppe zur Folge.

Mit Hilfe des Gestaltungsentwurfs von Lanxess entwickelte Röchling, Systemlieferant des BAGS mit Sitz in Worms, das erste CAD-Modell des Bauteils. Dieses Modell berücksichtigte den Entwicklungsstand des gesamten Fahrzeugs und war Ausgangspunkt für die Detailentwicklung des Bolsters. So war eine schrittweise Anpassung des Strukturbauteils an die zahlreichen Anbaukomponenten notwendig. Umgekehrt mussten zahlreiche Anbaukomponenten für das neue BAGS-Konzept verändert werden.

Lanxess führte im Laufe dieser Bauteilverfeinerung verschiedene Berechnungen und Simulationen durch – beispielsweise zur Verbesserung der Steifigkeit der Kühlerlager. Diese Optimierungen waren auch wegen des engen Bauraums für die Kühler besonders anspruchsvoll. Besondere Beachtung fand die Simulation des Steifigkeitsverhaltens des Bolsters. Er darf sich im Fahrbetrieb nicht so stark verformen, dass er an andere Komponenten stößt und diese beschädigt. Berücksichtigt wurden dabei auch besondere Fahrsituationen wie Erschütterungen durch Schlaglöcher. Geprüft wurde weiterhin, ob Verbindungen wie Verschraubungspunkte richtig positioniert und ausreichend fest sind. Weitere, vor allem versicherungstechnisch relevante Lastfälle, die Lanxess für den BAGS berechnete, waren das Verhalten bei leichten Kollisionen wie beim Parken und Lower Leg Impact-Tests für den Fußgängerschutz.

Sollbruchstelle und Haubenschloss

Ein anderer Schwerpunkt des CAE-Services war die Integration der vier Luftklappenbereiche in den Frontendträger. Der Schieber zum Öffnen und Schließen der Lamellen sitzt auf der Bauteilvorderseite und ist daher Crash-relevant. Von Ford kam die Vorgabe, den Schieber so zu konstruieren, dass er im Fall eines leichteren Crashs kontrolliert bricht und dabei keine weiteren Schäden entstehen, so dass der Reparaturaufwand gering ist. Das Verhalten des Schiebers bei Crashs mit Geschwindigkeiten bis etwa 10 km/h wurde simuliert und das Bauteil entsprechend ausgelegt. Außerdem wurden die Ergebnisse der Berechnungen in realen Bauteiltests validiert.

Simulation des Haubenschloss-Tests: Auch bei leicht geöffneter Motorhaube ist der Bereich des Schlosses den starken mechanischen Belastungen gewachsen (rot = hohe, blau = niedrige Spannung). © Lanxess

Ein besonderer Fokus lag außerdem auf der richtigen Auslegung des Bereichs um das Haubenschloss im Obergurt des Bolsters. Dieser Bereich muss besonders steif sein, denn die Haube muss fest geschlossen bleiben, wenn der Wind bei schneller Fahrt unter sie greift. Ein Nachgeben des Schlosses würde die Fahrdynamik verschlechtern und im Extremfall zum Öffnen der Haube führen. Weiterhin darf sich der Obergurt etwa bei schneller oder holpriger Fahrt nur minimal verziehen, weil sich sonst die Luftklappen öffnen, verkanten oder sogar aus der Halterung springen könnten. Simuliert wurde daher im Haubenschloss-Test die Belastbarkeit des Schlossbereiches. In späteren Bauteiltests zeigte sich, dass die angestrebten Kraftniveaus in der Simulation sehr realitätsnah prognostiziert waren.

Gegen Ende der Entwicklung wurden für verschiedene Fahrsituationen das Vibrationsverhalten (NVH, Noise Vibration Harshness) des gesamten Vorderwagens simuliert. Ziel war es zu prüfen, ob sich die einzelnen Komponenten der BAGS-Baugruppe in ihrem Schwingungsverhalten gegenseitig negativ beeinflussen und in ihrer Funktion beeinträchtigen. Außerdem ging es darum, das akustische Verhalten der Baugruppe zu optimieren.

Strukturentwicklung und Wirtschaftlichkeit

Markierte Probekörper aus einem Polyamid 6 der Marke Durethan werden für einen Zugversuch in eine Prüfmaschine eingespannt. Die daraus ermittelten Materialdaten stehen Kunden zur Verfügung. © Lanxess

Grundsätzlich hatte jeder Entwicklungsabschnitt der Strukturoptimierung eine Neuberechnung des BAGS unter anderem in puncto Steifigkeit und NVH-Verhalten zur Folge. Jede dieser Entwicklungsstufen wurde von Untersuchungen zur Rheologie und Fertigung begleitet mit einem besonderen Fokus auf die Wirtschaftlichkeit des Herstellprozesses. Ziel war es, ein möglichst einfaches, wartungsarmes Werkzeug mit wenigen Schiebern einzusetzen, das eine lange Lebensdauer hat. Beispielsweise wurde die Polyamid-Rippenstruktur zur Verstärkung des Bolsters so ausgelegt, dass sie einfach spritzzugießen und zu entformen und dabei möglichst dünnwandig ist.

Der gesamte Entwicklungsaufwand war auch davon geprägt, dass das Bauteil in mehreren Varianten ausgelegt werden musste, weil sich die Anforderungen des in Europa, den USA und China zu produzierenden Bauteils regionenspezifisch unterscheiden.

Lanxess hat sein Engineering-Know-how, mit dem Projektpartner in allen Schritten der Entwicklung eines Kunststoffteils unterstützt werden, in der Marke HiAnt zusammengefasst. Rückgrat dieser Expertise sind die weltweit in allen größeren Wirtschaftsregionen verteilten Technikcenter zur Anwendungs- und Materialentwicklung sowie Fertigung. Der Service reicht von der Konzeptentwicklung mit anwendungsspezifischen Material-, Konstruktions- und Verarbeitungsempfehlungen über CAE-Simulationen und Berechnungen für präzise und realitätsnahe Aussagen zum avisierten Bauteil und zur Verarbeitung bis zur Bauteilprüfung mit State-of-the-Art-Prüfanlagen nach gängigen internationalen Normen. Zum Beispiel führte Lanxess in seinem Prüftechnikum mehrere Tests zur Sicherheit und Funktion des BAGS durch. Darunter waren statische Ersatzlastfälle für Crash-Tests, Torsionsprüfungen zum Verhalten der Baugruppe etwa beim Auffahren auf einen hohen Bordstein oder Hood Latch-Tests, die Aussagen über die Stabilität des Obergurtes bei nicht vollständig eingerasteter und geschlossener Motorhaube liefern. Auch Unterstützung bei der Verarbeitung gehört zum Service. So waren Verarbeitungsexperten des Spezialchemie-Konzerns bei Röchling vor Ort, um den Start der Serienfertigung zu begleiten. Grundsätzliches Ziel ist, die Entwicklungszeit und „time to market“ des Kundenbauteils zu verkürzen und dessen Entwicklungskosten zu reduzieren.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Gregor Efes, technischer Projektmanager für Strukturbauteilein der Anwendungsentwicklung des Geschäftsbereichs High Performance Materials von Lanxess.

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