Leichtbau: Fraunhofer reduziert Motorgewicht und Montagekosten

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Nockenwellenmodule werden bis dato aus Aluminium gefertigt. Um das Gewicht des Motors zu senken, hat ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT ein Nockenwellenmodul aus faserverstärkten Duromeren entwickelt. Das Leichtbau-Modul wurde gemeinsam mit dem MAHLE Konzern und den assoziierten Partnern Daimler AG, SBHPP/Vyncolit N.V. und Georges Pernoud realisiert. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi fördert das Projekt.

Bei der Wahl des Kunststoffs setzen die Projektpartner auf hochfeste, faserverstärkte Duromere, da sie hohen Temperaturen, mechanischen und chemischen Belastungen, wie sie etwa durch synthetische Motoröle und Kühlmittel verursacht werden, sehr gut standhalten. »Wir steuern das Know-how bei, wie man die Geometrien des Bauteils material- und prozessgerecht gestalten muss, damit sie alle Anforderungen erfüllen«, sagt Thomas Sorg, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT.

Gussteile aus Aluminium müssen nach dem Vergießen aufwändig nachbearbeitet werden, dadurch entstehen hohe Kosten. Der Nachbearbeitungsaufwand von faserverstärkten Duroplasten ist vergleichsweise gering, sie lassen sich endkonturnah herstellen, was mit niedrigeren Kosten bei der Produktion einhergeht. Auch die Lebensdauer von Duroplast-Spritzgusswerkzeugen ist – bei bis zu 500 000 Stück – wesentlich höher im Vergleich zu Aluminium-Hochdruck-Gusswerkzeugen. Darüber hinaus weisen mit hohem Faseranteil verstärkte Kunststoffe gegenüber Aluminium einen deutlich geringeren CO2-Footprint auf, da das Leichtmetall in der Herstellung sehr energieintensiv ist.

Das Nockenwellenmodul ist durch eine monolithische Bauweise mit integrierten Lagern gekennzeichnet, das heißt, es wird aus einem Guss gefertigt. Dadurch verringert sich der Montageaufwand im Motorenwerk. Der Fahrzeughersteller bekommt das Modul vorkonfektioniert vom Zulieferer und kann es mit wenigen Handgriffen auf den Motor montieren.

»Wir können das Nockenwellenmodul aus duroplastischem Werkstoff deutlich leichter fertigen als das Pendant aus Leichtmetall und dabei sogar wirtschaftlich im Spritzgießverfahren produzieren«, betont der Ingenieur. Simulationsrechnungen unterstützen die Auslegung und Absicherung des Prototyps bevor der Herstellungsprozess startet. »Obwohl die Steifigkeit des Duromers nur ein Viertel des Aluminiums beträgt, ist es uns durch konstruktive Maßnahmen gelungen, die maximal zulässigen Verformungen einzuhalten«. Die Funktionalität des Leichtbauelements erwies sich nach 600 Stunden sogenannter geschleppter Versuche am Motorenprüfstand in einem hochmodernen Otto-Verbrennungsmotor als einwandfrei. Mithilfe der anstehenden sogenannten befeuerten Versuche wollen die Projektpartner die Funktionalität und das NVH-Verhalten unter Berücksichtigung der Gaskräfte des Verbrennungsprozesses belegen.

Katrin Schindele, Projektleiterin bei MAHLE, bedankt sich beim gesamten Konsortium und allen Beteiligten für die sehr gute Zusammenarbeit. »Wir sind sehr zufrieden mit den Funktionsprototypen und den Versuchsergebnissen. Alle Projektbeteiligten haben vollen Einsatz für das Nockenwellenmodul geleistet.«

Bildquelle: Frauenhofer-Institut

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