Hochleistungs-Werkstoffe

Den Verzug ausgetrieben

Zur besseren Pumpe – dank Werkstoff und Konstruktionsunterstützung. Eine neue Generation an Kühlmittelpumpen zum Einsatz in Omnibussen war Ausgangspunkt für die Entwicklung eines kunststoffbasierten Pumpengehäuses, das den hohen Anforderungen der Kühlmittelumwälzung und des Kühlmitteldurchflusses gerecht werden musste. Dank der richtigen Materialwahl und eines umfassenden technischen Supports vom Werkstofflieferanten wurde die Konstruktionsidee in eine prozesssicher zu fertigende Baugruppe umgesetzt.

Deformation der Ausgangsvariante mit Darstellung von Temperatur und Innendruck. Sie wurde mit Einsatz einer besonders steifen Tedur-Variante und konstruktiven Maßnahmen optimiert. (Bild: Albis Plastic)

Das Unternehmen Spheros im oberbayerischen Gilching, Entwickler und Hersteller von Heizsystemen und Klimatisierungslösungen für Omnibusse, entwickelte im Rahmen der Produkterweiterung eine Kühlmittelpumpe für Busheizungssysteme. Die Pumpe, die von einem magnetgekuppelten EC-Motor angetrieben wird, ist für Umgebungstemperaturen bis 95 Grad Celsius geeignet bei einer Laufzeit von mehr als 30.000 Stunden.

Für das kunststoffbasierte Pumpengehäuse wurde eine Lösung gesucht, die den hohen technischen Anforderungen dieser Anwendung gerecht werden musste: In der Pumpe, die das Kühlmittel umwälzt, entstehen hohe Druckspitzen, denen das Material unter verschiedenen Bedingungen ausgesetzt ist. Aus diesem Grund wurde ein formstabiler Kunststoff benötigt. Die Wahl fiel, auch aufgrund der guten Chemikalienbeständigkeit, auf ein Polyphenylensulfid (PPS) mit 40 Prozent Glasfasergehalt.

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Vergleichsspannungen in den Rippenansätzen vor der Optimierung. In Kombination mit dem Wechsels auf ein anderes Material reichten zur Verzugsminimierung vergleichsweise kleine Änderungen an der Verrippung zum Abbau der Spannungsspitzen. (Bild: Albis Plastic)

Erste Versuche zeigten allerdings, dass die gewählte Type eine zu geringe Festigkeit unter Last aufwies. Das führte zur Überschreitung von Toleranzen in einigen Betriebssituationen. Gefordert war und ist, dass die Pumpe mindestens dem Überdruck von 2,5 bar bei einer Dauerbelastung von 110 Grad Celsius standhält. Bei dieser Temperatur verformte sich jedoch der Boden des Pumpengehäuses bereits bei 1 bar Überdruck nach 24 Stunden über die Toleranzgrenze hinaus. Dies führte zum temporären Schleifen des Impellers im Pumpeninnenraum. Die damit einhergehenden erhöhten Querströmungseffekte sorgten schließlich für eine reduzierte Pumpenleistung. Darüber hinaus zeigte sich, dass die im Spritzgießprozess gefertigten Einzelteile, also Deckel und Gehäuseteil, bereits nach Entformung aus dem Werkzeug einen zu großen Verzug aufwiesen. Damit war die Auswahl einer neuen Kunststofftype unumgänglich.

Zu diesem Zeitpunkt war das Projekt hinsichtlich Bauteilkonstruktion und Formenbau aber relativ weit fortgeschritten. Um Verzögerungen zu vermeiden, entschlossen sich die Verantwortlichen bei Spheros, Unterstützung durch einen geeigneten Partner zu suchen. Dieser sollte das Projekt von der Materialauswahl bis zur Abmusterung begleiten und die entsprechende technische Beratung liefern. Die Wahl fiel auf Albis Plastic.

Die Anordnung der Kühlkreisläufe konnten ohne Änderungen übernommen werden. (Bild: Albis Plastic)

PPS ja – aber die richtige Type
Grundsätzlich wurde die Wahl eines PPS aufgrund der Einsatzbedingungen weiterhin für geeignet befunden – aber nach einer Type gesucht, die die Anforderungen noch besser erfüllt. Sie sollte die chemischen, thermischen und mechanischen Anforderungen erfüllen, ohne in die Werkzeugkonstruktion grundsätzlich eingreifen zu müssen oder gar eine komplette Bauteil-Neukonstruktion zu provozieren. Es wurde eine PPS-basierte Type aus der Albis-Eigenmarkenlinie Tedur mit 40 Prozent Glasfaser bemustert, die im Vergleich zur Ausgangstype eine bessere Anbindung der Glasfasern an die Polymermatrix aufweist. Tedur bietet besonders gute Kriechfestigkeit, hohe Chemikalienbeständigkeit und eine gute Bindenahtfestigkeit.

Eine weitere wichtige Anforderung war die Eignung des Materials für das Rotationsreibschweißen, mit dem die Bauteilkomponenten mediendicht verbunden werden. Vorversuche hatten gezeigt, dass hinsichtlich dieses Projekts nicht jedes PPS für das gewählte Schweißverfahren infrage kommt, da beispielsweise die Glasfaseranbindung unter dem Rotationsschweißverfahren leiden kann und gegebenenfalls nicht die geforderte Festigkeit bietet.

Simulation von Füllsituation (links) und Glasfaserorientierung der überarbeiteten Variante mit Tedur-Einsatz. Am Flanschansatz ist die nun verlängerte Rippe zu erkennen. (Bild: Albis Plastic)

Konstruktion optimieren
Zusätzlich bei Albis durchgeführte FEM-Analysen bestätigten den zwischenzeitlichen Verdacht, dass ein Wechsel des Materials alleine nicht ausreichen würde, um das Pumpengehäuse für die extremen mechanischen Anforderungen fit zu machen, sondern eine geometrische Optimierung zur Versteifung notwendig sein würde. In der Simulation wurde die Baugruppe unter zusätzlich aufgelegter Last aufgeheizt, um sowohl die Ausdehnung als auch die Erweichung des Materials zu errechnen. Wie erwartet, begann sich das Bauteil aufgrund des Vorverzugs und der Last zu verziehen.

Die durch den Innendruck erzeugten Lasten wirkten stark auf das Gehäuse und konnten aufgrund der fehlenden Festigkeit in der Struktur – besonders im Bereich um den Ausguss und im Bodenbereich unterhalb des Pumpenrads – nicht in die Wandung umgelenkt und dort abgetragen werden. In diesem Kerbwirkungsbereich ließen sich somit die maximalen Spannungen nachweisen. Zu diesem Zeitpunkt konnte die bestehende Konstruktion aufgrund von Wanddurchbrüchen die geforderte Steifigkeit nicht erfüllen und bedurfte einer nachträglichen Optimierung. Um eine die Toleranzen sprengende Deformation des Bauteils zu verhindern und eine bestmögliche Festigkeit zu gewährleisten, wurde zum einen die in der Ursprungskonstruktion bereits vorgesehene Verrippung geometrisch angepasst, während der Pumpenboden zum anderen zusätzlich mit Rippen versteift wurde. In einigen Bereichen wurden zudem größere Übergangsradien gewählt, um Kerbwirkungen zu minimieren.

Der Gesamtverzug beim Spritzguss, 30-fach vergrößert dargestellt, liegt heute dank der Optimierung in Zusammenarbeit von Albis und Spheros sicher unter den vorgegebenen Toleranzgrenzen. (Bild: Albis Plastic)

Mit vergleichsweise geringen Änderungen im Spritzgießwerkzeug wurde die Baugruppenkonstruktion in Zusammenarbeit von Albis und Pumpenspezialist Spheros „optimiert“ und bis zur Abmusterung begleitet. Da das Bauteil allerdings nahezu auskonstruiert war, bedurfte es in Ergänzung einer Kunststofftype, die die mechanischen Anforderungen an das Bauteil bestmöglich stützt. Das schließlich verwendete PPS der Albis-Eigenmarke Tedur bot aufgrund des Glasfasergehalts und deren Anbindung eine hohe Steifigkeit in Kombination mit einer erheblich geringeren Verzugsneigung. Auch das von den Konstrukteuren bereits vorab definierte Verbindungverfahren Reibschweißen konnte mit dieser Werkstoffwahl ohne Änderungen umgesetzt werden.

Dank der hervorragenden mechanischen Eigenschaften des Materials konnten die werkzeugseitigen Verzugsneigungen minimiert werden. Mit der erhöhten Steifigkeit des Materials in Kombination mit den konstruktiven geometrischen Änderungen wurden schließlich die Funktionen im Dauerbetrieb gesichert.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Joscha Kock und Thies Wrobel, Albis.

K 2016, Halle 8b, Stand A61

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