Ultramid A3W2G6

Kunststoff ersetzt Aluminium unter der Lkw-Haube: Ein Brummi speckt ab

Von der Daimler-Tochter Detroit Diesel Corporation in den USA gebaute Lkw-Dieselmotore erhalten erstmals Ladeluftrohre aus Kunststoff. Sie ersetzen die bisher verbauten Metallrohre.

Mit dieser Neuauslegung hat erstmals ein Kunststoff der BASF Einzug in den Ladeluftbereich eines Nutzfahrzeugs gehalten. Das Ladeluftrohr des Lkw-Motors DD13/DD15 ist eine der ersten großen Serienanwendungen für das neue Polyamid (PA) Ultramid A3W2G6. Das Bauteil, von Elringklinger aus dem laut Anbieter sehr wärmealterungsbeständigen PA gefertigt, biete besonders hohe mechanische und thermische Leistungsfähigkeit. Das multifunktionelle Ölsaugmodul besteht ebenfalls aus einem Polyamid. Hinter der Bezeichnung DD13/DD15 verbergen sich Hochleistungs-Dieselmotoren für Lkw mit Hubräumen von knapp 13 oder 15 Liter, die die Detroit Diesel Corporation in den USA baut.

Leichtes Rohr aus hitzestabilem Kunststoff

Auch bei den Lkws geht der Trend inzwischen zum Leichtbau. Daher bestand die Aufgabe am DD13/DD15 darin, wie im Pkw-Bau auch, schwere Metallteile durch ebenso leistungsfähige Kunststoffteile zu ersetzen. Das Ladeluftrohr aus Polyamid hat, so das Unternehmen, im Vergleich zu seinem Vorgänger aus Aluminium um 1,8 Kilogramm abgespeckt, das entspricht dem halben Gewicht.

Die hohe Wärmealterungsbeständigkeit der hier verwendeten PA66-Spezialität-Type zeige sich beispielsweise in den Druckschwelltests am Bauteil bei 140 Grad Celsius. Das Ladeluftrohr muss über 3000 Stunden Druckschwankungen zwischen 0,4 und 3,5 bar ertragen. Hier handelt es sich um spezielle Anforderungen aus dem Nutzfahrzeugbereich. Sie ergeben sich aus der Mischung von turboaufgeladener Frischluft mit dem bis zu 230 Grad Celsius heißen rückgeführten Abgas (AGR: Abgasrückführung). Am AGR-Einleitungspunkt und bei hoher Belastung wie dem Überwinden steiler Bergpässe, können Temperaturspitzen bis 200 Grad Celsius entstehen.

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Ölsaugmodul mit integriertem Rückschlagventil

Das Ölsaugmodul der gleichen Motore verlangt ebenfalls viel vom Werkstoff. Es besteht aus Ultramid A3WG7 und umfasst neben Ölsaugstutzen und Öldruckleitung ein integriertes Rückschlagventil. Im Bauteiltest muss es Druckpulsationen über 10 Millionen Lastwechsel zwischen 5 und 13 bar Öldruck bei 120 Grad Celsius an gealtertem Material aushalten. In einer Dauererprobung des Rückschlagventils sind 500.000 Schaltzyklen in Anwesenheit einer scharfen Ölmischung zu überstehen, die gealtertes Motoröl und Kraftstoffanteile enthält. Schließlich rechnet man bei einem Lkw mit einer Fahrleistung von etwa 1,2 Millionen Kilometer. Zu den Betriebslasten am Motor gehören darüber hinaus Druckspitzen bis etwa 13 bar; im Kaltstart bis 25 bar. Der erzielte Berstdruck des Ölsaugrohrs liege bei über 60 bar. Bei diesem Bauteil führe der Ersatz von Metall durch Kunststoff und die hohe Funktionsintegration zu einer Gewichtsersparnis von 0,8 Kilogramm pro Bauteil oder 50 Prozent.

Nicht ohne Simulation und Bauteilprüfung

BASF unterstützte die Bauteilentwickler bei Elringklinger mit Hilfe der Simulationssoftware Ultrasim. Beim Ölmodul beispielsweise galt es einerseits Materialermüdung durch den dynamischen Motorbetrieb zu vermeiden und so die Lebensdauer der Komponente zu maximieren. Auf der anderen Seite mussten die Schweißverbindungen sorgfältig ausgelegt werden: Schweißverbindungen sind mögliche Schwachstellen, die im Dauerbetrieb wenig belastet sein sollten. Bei beiden Aufgaben kamen virtuelle Auslegeverfahren zum Einsatz, im ersten Fall die numerische Topologieoptimierung, im zweiten die Formoptimierung: Bionischen Prinzipien folgend, wird im Rahmen dieser Verfahren am Bauteil Kunststoff virtuell gezielt dort angeordnet, wo er wirklich erforderlich ist und Belastungen ertragen muss. Begleitet wurde diese Entwicklung durch Dichtigkeits-, Druckschwell- und Berstdruckprüfungen in den Bauteilprüflabors.

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