Die ideale Verbindung
Experten der Grundlagen-, Prozess- und Serienentwicklung bei MANN+HUMMEL haben erfolgreich ein innovatives Kunststoff-Aluminium-Hybriddesign für Lkw-Flüssigfiltermodule entwickelt und erprobt.
Konzept eines Hybrid-Kraftstofffiltermoduls für eine Nutzfahrzeuganwendung
Bei der Fertigung von Pkws und Nutzfahrzeugen hat sich Kunststoff als vielseitiger Werkstoff bewährt. Einsatzgrenzen zeigt das Material durch begrenzte Festigkeits- und Steifigkeitswerte nur bei thermisch und mechanisch hochbelasteten Bauteilen. Während MANN+HUMMEL für Pkws bereits 2003 das weltweit erste Kunststoffölmodul in Serie auf den Markt brachte, kommen in Nutzfahrzeugen aus Stabilitätsgründen nach wie vor Filtermodule aus Aluminium zum Einsatz. Die Spezialisten bei MANN+HUMMEL haben nach einer Alternative gesucht und eine Lösung entwickelt, die die notwendige Robustheit auch für diese Anwendungen aufweist.
Hydraulischer Anschluss in der Ausführung eines am Modul beziehungsweise an einem Verteilungskanal angespritzten Schnellverbinders
Das Beste aus zwei Welten
Ziel der Entwickler war es, die mechanische Festigkeit von Aluminium mit der flexiblen Gestaltungsfähigkeit von Kunststoff zu vereinen. Die Lösung: ein Aluminium-Skelett mit einer Kunststoffummantelung. An den hoch-belasteten Bereichen des Bauteils, wie Flansch-verschraubungen oder Deckelgewinde, nimmt das Metall die lokal großen mechanischen Kräfte auf und verteilt sie. Dadurch hält das Bauteil an diesen Stellen der Belastung stand. Die Gehäusehülle aus Kunststoff ermöglicht die einfache Integration von Funktionen.
Komplexe Gestaltung
Die Gestaltung des Bauteils in Hybridbauweise erwies sich als komplex. Das Aluminium-Skelett, der sogenannte Einleger, muss die auftretenden Kräfte aufnehmen und sie formschlüssig zwischen Metall und Kunststoff übertragen. Belastungsspitzen, die das Material schädigen, gilt es zu vermeiden. Gleichzeitig muss der Einleger für das nachfolgende Umspritzen mit Kunststoff ausgelegt sein und sich zuverlässig im Spritzgießwerkzeug fixieren lassen, damit es beim Umspritzen nicht zu Verformungen kommt. Vorausgehende Untersuchungen zeigten, dass sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien keine dauerhaft dichte Verbindung zwischen Aluminium und Kunststoff erreichen lässt. Die Dichtheit im Kontaktbereich von Aluminium und Kunststoff kann daher nicht sichergestellt werden. Daher führten die Entwickler alle Bereiche mit Medienkontakt durchgehend in Kunststoff aus.
Das für die Kunststoffhülle verwendete Polyamid punktet an vielen Stellen mit Flexibilität. Mittels Druckguss lassen sich mit mehrteiligen Werkzeugen zwar auch komplexe Geometrien umsetzen, aber zur Fertigung eines funktionsfähigen Flüssigkeitsfiltermoduls ist das nachträgliche Einbringen von Gewinden, Dichtflächen und hydraulischen Anschlüssen notwendig. Das erfordert zusätzliche spanende Bearbeitungsschritte und einen hohen Aufwand, um die erforderliche Bauteilsauberkeit zu gewährleisten. Beim Spritzgießen eines Kunststoffteils lassen sich alle Anschlüsse und Gewinde direkt in die Formgebung einbringen.
Aufwand, der sich rechnet
Muster eines Hybrid-Kraftstofffiltermoduls in transparentem Kunststoff gefertigt
Validiert wurde das neue Konzept beim direkten Vergleich eines Kraftstofffiltermoduls für einen 13,0-Liter Nutzfahrzeugmotor. Dazu wurden Muster aus Aluminium und aus der neuen Kunststoff-Aluminium-Hybridbauweise auf dem Prüfstand getestet. Das Ergebnis überzeugte: Speziell bei den als besonders kritisch bewerteten Tests zur Hochtemperatur-Druckwechselbelastung oder der Berstdruckfestigkeit erreichte das Hybridbauteil die gleichen oder bessere Werte als das Aluminiumgehäuse.
Das Kunststoff-Aluminium-Hybriddesign kann eine echte Alternative zu konventionellen Aluminium-Lösungen sein. Um Kostenvorteile zu erzielen, müssen verschiedene Randbedingungen wie Stückzahl, kunststoffgerechtes Design und die Notwendigkeit für eine mechanische Bearbeitung erfüllt sein. Durch das zusätzliche Werkzeug für den Einleger fallen höhere Kosten an. Bei ausreichender Stückzahl verteilen sich diese und so kann ein Hybridkonzept wirtschaftlich dargestellt werden. Zudem ist die Erhaltung der Bauteilsauberkeit bei Aluminiumgehäusen kostenintensiver als beim Hybridmodul. Wenn der Einleger und die Kunststoffhülle unbearbeitet bleiben, wird dieses Kostenpotenzial wirksam.
Die langjährige Erfahrung in der Gestaltung von komplexen, hochbelasteten Kunststoffbauteilen sowie der Kompetenz in der Konzeption von Spritzgießwerkzeugen, ermöglichten es den Spezialisten von MANN+HUMMEL ein robustes Hybridbauteil zu entwerfen, das sowohl die hohen Anforderungen im Nutzfahrzeugbereich erfüllt als auch durch Wirtschaftlichkeit überzeugt. Erste konkrete Projekte befinden sich in Entwicklung.
