Die Eigenschaften von Kunststoffen können heute fast beliebig an die gewünschten Anforderungen angepasst werden. Leicht und wirtschaftlich zu verarbeiten sind sie ideale Werkstoff-Kandidaten, wenn es gilt schwere Materialien zu ersetzen. Nach heutigem Stand der Technik sind in Hydraulik- und Ölsteuerungen aufwändig bearbeitete Steuerkolben aus Aluminium mit hartanodischer Beschichtung im Einsatz. In einer neuen stufenweise feinst geregelten Ölpumpe – Bestandteil eines verbrauchsarmen Motorkonzepts – soll ein Steuerkolben aus Kunststoff verwendet werden. Um die Anforderungen hinsichtlich Warmformbeständigkeit und Medienresistenz zu gewährleisten, wird er aus einem Polyethersulfon-Compound hergestellt, das neben Grafit und Kohlefasern einen Gleitzusatz aus PTFE enthält.

Toleranzen beim Kantenbruch

Der Kunststoff Polyethersulfon (PES) gehört als Polyarylsulfon zu den amorphen Hochtemperatur-Kunststoffen. PES besitzt eine Glas-Übergangstemperatur von 225°C, ein transparentes, leicht gelbliches bis graues Aussehen und weist zudem einen sehr hohen inhärenten Flammschutz auf. Einsatzgebiete von PES sind die vor allem die Automobilindustrie. Eine spanende Nachbearbeitung der in Vorversuchen spritzgegossenen Kolben ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern aus technischen Grunden nicht möglich: PTFE diffundiert beim Spritzgießen an die Oberfläche. Die Gleitoberfläche wird durch mechanisches Aufbrechen der Spritzguss-Haut verletzt und die verstärkenden Kohlefasern freigelegt, wodurch Abriebprobleme entstehen können.

Während die Anforderungen an den Durchmesser, die Rundheit sowie die Längentoleranz vergleichsweise einfach realisierbar waren, stand im Fokus der Untersuchungen die Toleranz des Kantenbruchs. Ein ausgeprägter Kantenbruch (<40 µm) ist für ein schnelles Ansprechen des Steuerkolbens und niedrige Leckraten der Ölpumpe notwendig.

Es wurde eine Parameterstudie durchgeführt mit dem Ziel, den Einfluss auf die Abformgenauigkeit des Kantenbruchs beurteilen zu können. Dabei wurden die Parameter Nachdruck, Werkzeug- und Massetemperatur, Einspritzgeschwindigkeit und Umschaltzeitpunkt variiert. Die bei unterschiedlichen Parametereinstellungen gefertigten Kolben wurden mikroskopisch vermessen, die Ergebnisse mit einer Software zur statistischen Versuchsplanung ausgewertet. Es wurden neun verschiedene Einstellungen gefahren. Die rotationsförmigen Kolben wurden an jeder ihrer sechs Kanten vermessen. Hierzu wurden für jede Kante an vier im Uhrzeigersinn umlaufenden Mess-Stellen jeweils sieben Messpunkte erhoben. Die Parameterstudie zeigte, dass durch Optimierung der Werkzeug-Wandtemperatur sowie des Nachdrucks der Kantenbruch verbessert werden konnte. Auffällig war, dass die Kanten 3 und 4 des Kolbens deutlich schlechter ausgeprägt waren. Um diese Kanten ebenfalls gut auszuformen, wurde das Werkzeug optimiert und die Durchflussgeometrie des Steuerkolbens umgestaltet. Auf diese Weise ist es gelungen, die Abformgenauigkeit aller Kanten auf ein annähernd gleiches Niveau zu setzen.

Weiter wurde untersucht, welchen Einfluss Chargenschwankungen des Materials auf die Abformgenauigkeit besitzt. Hierzu sind zwei Materialchargen untersucht worden. Beide wurden nach DIN EN ISO 3451-1 verascht und der Glührückstand gemessen. Da bei der Veraschung nur eine geringe Materialmenge genutzt wird, wurden je fünf Proben pro Charge verascht und der Mittelwert aus diesen Proben errechnet.

Chargenschwankungen haben kaum Einfluss

Aus den Chargen A und B wurden Steuerkolben bei einer Referenz-Parametereinstellung gespritzt und verglichen. Dieser Vergleich ergab, dass die Chargenschwankung nur einen geringen Einfluss auf die Abformgenauigkeit besitzt. So steigt die Abformgenauigkeit mit sinkendem Füllstoffgehalt. Im Vergleich der unterschiedlichen Messpositionen wird deutlich, dass dieser Einfluss zu vernachlässigen ist. Die mit dem optimierten Werkzeug spritzgegossenen Steuerkolben aus Thermoplast konnten diejenigen aus metallischen Legierungen vollwertig ersetzen. Sie sind wirtschaftlicher, erfüllen aber die mechanischen Anforderungen sowie die Anforderungen an das Ansprechverhalten der Steuerung ebenbürtig. Es konnte gezeigt werden, dass der Kantenbruch durch eine reine Parametervariation verbessert wird, aber auch, dass diese Optimierung nur im Grenzbereich hilfreich ist, da sich der Kantenbruch in einer Größenordnung kleiner 5 µm verbessert hat. Als effektiver erwies sich die Umgestaltung der Durchflussgeometrie. Durch eine Anpassung konnte der Kantenbruch der Kanten 3 und 4, die anspritzseitig gesehen hinter der Durchflussöffnung liegen, deutlich verbessert werden. Es konnte eine Verbesserung des Kantenbruchs von etwa 30?µm auf etwa 20?µm erzielt werden.

Quellen:
Scholz, D.: Aircraft Systems – Lecture
Notes, Vorlesungsskript, Hochschule für angewandte Wissenschaften, Fachbereich Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau,
Hamburg, 2003
Scheffel, G.; Pasche, E.: Elektrohydraulik: Stetiges Bewegen mit 2-Wege-Einbau-ventilen und Kolbenschieberventilen,
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1986

 

Charge                                 A          B
Glührückstand [Masse-%]    14,64    16,46

(Gemittelte Glührückstande der untersuchten Chargen)

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Über den Autor

Sven Rickes, Elmar Moritzer und Jens Krugmann