Konstruktionsideen ohne Prototypen umsetzen

PP-Einsatz statt PA dank ausgefeilter Simulation

Eine komplexe Lösung für den Audi Q7 forderte die Konstrukteure beim Zulieferer ETG heraus: Bei sehr wenig Einbauraum war eine Rahmenkonstruktion mit hoher Steifigkeit, Dichtungs- und weiteren Funktionen gefragt. Gelöst wurde die Aufgabe in enger Zusammenarbeit mit dem Werkstofflieferanten Albis Plastic in Form eines 2K-Bauteils aus einem speziellen PP-Compound und einem Thermoplastischen Elastomer (TPE).

Dieses 2K-Bauteil aus einem Hochleistungs-PP-Compound und TPE dichtet Durchführungen zwischen Innenraum und Motorraum im neuen Audi Q7 zuverlässig ab.

Ein relativ großer Ausschnitt im Blech der Stirnwand zwischen Motor- und Fahrgastraum war Ausgangspunkt der Neukonstruktion eines Kunststoffbauteils, das zur Durchführung von Kabeln und Lüftungskanal im neuen Audi Q7 dient. In der Rechtslenkerversion des Fahrzeugs müssen der Hauptkabelbaum und der Luftansaugschacht linksseitig geführt werden, was sich aufgrund der Platzverhältnisse als ausgesprochen anspruchsvoll erwies.

Aus Vielen mach Eins
Beide Durchbrüche auf engem Raum zu realisieren und dabei eine wirtschaftlich montierbare, stabile und dauerhaft wasserdichte Konstruktion zu realisieren, erwies sich als komplizierter, als es vielleicht auf den ersten Blick scheint. Das gilt umso mehr, weil der von Audi vorgesehene Blechausschnitt so knapp an der nächsten engen Biegung liegt, dass stabile Fixierungspunkte in Form angeschweißter Gewindeeinsätze nicht realisierbar waren. Aus diesem Grund muss der Rahmen partiell hohe Steifigkeiten aufweisen: Deformationen aus den von der angespritzten TPS-Dichtlippe erzeugten Kräften müssen in sehr engen Toleranzgrenzen bleiben. Dazu kamen die Automobil-typischen Forderungen wie die Beherrschung des Einsatztemperaturbereichs von -40 bis 80 °C sowie die Beständigkeit gegen Öl-Nebel und eine geringe Wasseraufnahme.

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„In ähnlichen Konstruktionen wurden in der Vergangenheit – und werden bis heute – Baugruppen aus mehreren am Fahrzeug zu montierenden Teilen eingesetzt“, erklärt Armin Leipold, Produktentwickler und Projektmanager bei ETG. „Genau das wollte Audi an dieser Stelle nicht mehr. Die Idee, die beiden Durchführungen in einem montagefreundlichen Teil zu realisieren, war innerhalb der Entwicklung für Audi neu.“

Die Lasteinleitungen bei der Bauteilauslegung in der Simulation bestehen 1. aus der Rückstellkraft der verformten Gummidichtung und 2. aus einer Zugkraft von 100 Newton am Kabelstrang (Montage).

Bereits in der ersten Betrachtung stellte sich die Forderung nach „gesicherter Dichtheit“ zwischen dem Innen- und Motorraum bei der Luftkanal- und Kabeldurchführung als hohe Hürde für die Konstruktion heraus. Getestet wurde an der Durchführung in eingebautem Zustand: einerseits in einem Spritzwasser-Simulator bei 30 Grad Fahrzeug-Neigung und andererseits statisch unter einer 200 Millimeter hohen Wassersäule über 24 Stunden unter verschiedenen Temperaturen. Die Schnittstellen Stirnwand, Luftansaugung und Kabeldurchgang unterliegen außerdem verschiedenen dynamischen Belastungen aus dem Fahrbetrieb sowie Zug- und Druckkräften aus den Eigenbelastungen der Bauteile.

Mit Polypropylen schnell zur Freigabe
„Fast reflexartig tendieren vermutlich die meisten Konstrukteure in diesem Umfeld und bei solchen mechanischen Anforderungen zum Einsatz einer hochverstärkten Polyamid-Type“, gibt Armin Leipold zu. „Trotzdem hatte sich der Entwicklungsleiter Matthias Dietz von der ETG mit den Möglichkeiten einer leistungsfähigen Polypropylen-Alternative (PP) beschäftigt. Zum einen sei PP kostengünstiger, vor allem aber die Verbindung mit TPE in Form eines 2K-Bauteils aufgrund der guten Haftung zu PP deutlich einfacher zu realisieren und die zur Verfügung stehende TPE-Auswahl erheblich größer.

Die Hauptspannungen, hier dargestellt an der Unterseite des PP-Bauteils, betragen maximal 15 MPa.

Um die im Lastenheft formulierten Anforderungen zu erfüllen, kam – wenn überhaupt – nur ein Hochleistungscompound in Frage. Um zu prüfen, ob eine von Albis entwickelte Type der Altech NXT PP-Produktreihe in Frage kommen könnte, wurde das Unternehmen bereits während der Konzeptphase ins Boot genommen. Die Compoundlösung auf Polypropylen-Basis ist besonders hinsichtlich der Faktoren Leistung, Preis, Verfügbarkeit und Gewicht eine interessante Alternative zu Polyamid-basierten Lösungen. Altech NXTPP ist vielseitig einsetzbar und kommt darüber hinaus nicht zuletzt aufgrund seiner guten thermo-mechanischen Eigenschaften bei vergleichsweise geringeren Kosten in Automobil Anwendungen zum Einsatz.

Nachdem eine erste Einschätzung des zur Verfügung stehenden Bauraums, der möglichen Wanddicken und weiterer Anforderungen des Pflichtenheftes wie Temperatur- und Ölbeständigkeit den Einsatz des Polypropylens möglich erscheinen ließ, starteten detaillierte Untersuchungen und Simulationen.

Albis‘ Erfahrungen hinsichtlich optimaler Verarbeitungsparameter der PP-Compounds aus einer Vielzahl von Kundenprojekten und die Konstruktionsideen von ETG führten zu einem Werkstoff- und einem Konstruktionsvorschlag, den Albis sowohl in Strukturberechnungen als auch in der Spritzgießsimulation optimierte. Zum Einsatz kamen dabei unter anderem die Softwaretools Ansys für Festigkeits- und Strukturbewertungen des Bauteils und Moldex3D zur 2K-Spritzgießsimulation. Das daraus entwickelte Werkzeugkonzept setzte ein Formenbauer um. Bis zur Serienreife wurden lediglich zwei Optimierungsschleifen gefahren, die die in kritischen Formbereichen vorgesehenen Nachsetzmöglichkeiten nutzten.

Der Rahmen muss auch unter erhöhten Temperaturen die beiden hohen mechanischen Lasten abfangen, um die Dichtfunktion sicher zu gewährleisten; hier ist die Verformung mehrfach überhöht dargestellt.

Verarbeitet wird die Werkstoffvariante H A 2035/450 GF35 CP. Hinter der Typen-Bezeichnung verbirgt sich ein hoch wärmebeständiges PP mit 35 Prozent chemisch gekoppelter Glasfasern und hohem Steifigkeits- und Zähigkeitsniveau bereits im ersten Durchgang – mit der ersten Bauteilvariante – wurden alle Testreihen beim OEM erfolgreich absolviert. Einige Optimierungen im Nachgang waren ausschließlich der leicht veränderten Einbausituation geschuldet. Der Produktionsstart war – nur knapp eineinhalb Jahren nach der ersten Produktidee – in der 12 Kalenderwoche 2015.

Ohne Versuchswerkzeuge und Prototypen in die Serie
„Schlussendlich hat sich gezeigt, dass mit dem Werkstoff- und Verarbeitungswissen von Albis als Basis der realistischen Simulationen und Optimierungen auch ohne Hilfswerkzeuge und Prototypenbau sehr gute Ergebnisse erzielt werden können“, resümiert Armin Leipold. Trotz der durchaus komplexen Geometrie, die auf den geringen Einbauraum, ungünstige Befestigungsmöglichkeiten sowie hohe mechanische Anforderungen zurückzuführen seien, wurde der Einsatz eines Polypropylens statt eines Hochleistungs-PA ermöglicht. Das biete nicht nur gewisse Kostenvorteile, sondern in diesem Fall – auch aufgrund der guten Haftung zu TPEs – die technisch bessere Lösung.

Auch die TPE-Komponenten müssen maximale Montagekräfte bei der Verlegung des Kabelstrangs aufnehmen und dabei zuverlässig dicht bleiben. (Quelle: Albis Plastic)

ETG kommt ursprünglich aus der Gummi-verarbeitenden Industrie. Thermoplast-Erfahrungen im 2K-Bereich werden seit mehr als dreizehn Jahren auf- und ausgebaut. „Hier wurde das Gummi-Know-how benötigt, um die Tüllenfunktion zu optimieren und das Kunststoff-Know-how, um das Bauteil zur Karosse hin zu gestalten. „In der Zusammenarbeit mit Albis Plastic wurden die fundierten Kenntnisse beider Unternehmen gebündelt, um die sehr schnelle Serienreife des Produkts zu erzielen“, erklärt Armin Leipold.

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