Das Leichtbau-Tträgersystem für Luftfilter besteht aus glasfaserverstärktem Polyamid. (Bildquelle: alle BBP)

Das Leichtbau-Tträgersystem für Luftfilter besteht aus glasfaserverstärktem Polyamid. (Bildquelle: alle BBP)

Effizienz, Emissionsreduzierung und Nutzlasterhöhung stehen im Zentrum der Anstrengungen in der Nutzfahrzeugindustrie. Ein entscheidender Parameter dabei ist das Leergewicht des Fahrzeugs. Ein niedriges Leergewicht trägt direkt zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei. Darüber hinaus erlaubt es eine Erhöhung der Nutzlast, was den Transport der gleichen Warenmenge mit weniger Fahrten ermöglicht und somit zu weiteren Kosten- und Emissionsreduktionen führt.

Hier setzt das neue Leichtbau-Trägersystem für den Reinluftfilter des Mercedes-Benz-Lastkraftwagens Actros an, das der Kunststoffverarbeiter BBP, Marbach, im Rahmen der Leichtbau-Initiative von Daimler entwickelt hat. Ziel des vor drei Jahren gestarteten Projekts war es, ein bestehendes Trägersystem aus Stahl durch eine neue Kunststoff-Konstruktion zu ersetzen. Auf diese Weise sollten 45 Prozent Gewicht eingespart werden. Bei der Werkstoff-Umstellung durften keine Abstriche in Bezug auf die dynamische und statische Belastbarkeit der Bauteile gemacht werden.

Neuland für den Nutzfahrzeugbereich

So muss das neue Haltersystem aus Kunststoff den 6,1 kg schweren Luftfilter tragen, der durch die Filtertätigkeit noch bis zu 1,5 kg an Gewicht zulegen kann, und darüber hinaus den Kotflügel aufnehmen, der durch Schnee- und Matschbewurf bis zu 3,3 Kilogramm schwer werden kann. Standhalten muss die Konstruktion zudem einer Missbrauchslast von bis zu 100 Kilogramm. Diese entsteht etwa dann, wenn bei Wartungsarbeiten auf den Träger getreten wird. Hinzu kommt eine hohe Wärmebelastung. Denn in der Nähe des Leichtbauträgers ist der Turbolader positioniert, der mit bis zu 135 °C auf das Haltersystem abstrahlt. In einem Nutzfahrzeug, von dem deutlich höhere Kilometerleistungen als von einem PKW verlangt werden, sind Kunststoff-Haltersysteme in dieser Größenordnung Neuland.

Die Konstruktion des neuen Trägersystems startete mit dem Entwurf eines Topologiemodells, wobei der zur Verfügung stehende Bauraum berücksichtigt wurde. Daraus ließ sich ein Schalenmodell abbilden, das als Basis für ein erstes Strukturkonzept diente. Um alle Leichtbaupotenziale zu nutzen, wurde mit dem Strukturmodell eine Wandstärken-Optimierung durchgeführt. Das Kunststoffmaterial sollte vor allem entlang der hoch belasteten Zug- und Druckflächen eingesetzt werden. Die Verrippung sollte so dünn wie möglich ausgeführt werden. Der Ausarbeitung des Schalenmodells folgte die kunststoff- und werkzeuggerechte Auslegung des Bauteils. Beschnitte durch angrenzende Bauteile, sowie Toleranzkonzepte und entformungstechnische Randbedingungen mussten beachtet werden. In einem Optimierungskreislauf entstand die 3D-Geometrie, welche parallel Simulationsläufen unterzogen wurde, um die Lastfälle auch mit der konstruktiv ausgeführten Geometrie abzusichern. Ein ebenfalls parallel laufendes Kostencontrolling garantiert das Erreichen der Zielkosten.

Glasfaserverstärktes Polyamid als Werkstoff der Wahl

Diese Metallkonstruktion wurde durch das neue Leichtbau-Trägersystem ersetzt.

Diese Metallkonstruktion wurde durch das neue Leichtbau-Trägersystem ersetzt.

Mit einem hohen Anteil Glasfasern verstärkte Polyamide können auch im Nutzfahrzeugbau zur Substitution von Metallen eingesetzt werden. Als gut geeignet für die Gestaltung der Leichtbauträger in dem zur Verfügung stehenden Bauraum hat sich das Polyamid 66 Durethan AKV 50 H2.0 von Lanxess, Köln, erwiesen. Dieser Konstruktionswerkstoff erfüllt sowohl die hohen Anforderungen an die dynamische Dauerbelastbarkeit unter Wärmeeinwirkung, als auch die entsprechenden Rohstoffeigenschaften für eine wirtschaftliche Produktion.

Während der Entwicklungsphase wurden konsequent die Vorteile des Kunststoffes genutzt. So konnte eine Kunststoff-Direktverschraubung realisiert werden. Kostenintensive Metall-Inserts, die in einem zusätzlichem Prozessschritt eingebracht hätten müssen, entfallen. In Zusammenarbeit mit einem Spezialist für Kunststoffschrauben wurde eine Lösung erarbeitet, die ein mehr als 50-faches Verschrauben des Filters, etwa nach Wartung und Austausch, ermöglicht. Die Selbsthemmung der Schrauben im Träger ist so hoch, dass sich das Filterelement nicht von selbst lösen kann. Weiterhin wurden in der Konstruktionsphase Blechhalter integriert und direkt am Bauteil angespritzt. Dies dient ebenfalls der Reduzierung von Material- und Montagekosten.

Das Spritzgußwerkzeug wurde aus Gründen der Wirtschaftlichkeit als Familienwerkzeug ausgeführt, sodass pro Schuss ein kompletter Satz der Leichtbauträger hergestellt werden kann. Das stark unterschiedliche  Teilegewicht der beiden Halter erfordert bei der Werkzeugauslegung hohe Simulationskompetenz. Eine konturnahe Kühlung unter Einsatz von speziellen wärmeleitenden Schiebereinsätzen ermöglicht wirtschaftliche Zykluszeiten. Die Integration der Leichtbauträger in die bestehende Fertigung des Actros ist unter anderem gelungen, weil identische Buchsen für beide Halter zum Einsatz kommen und somit die Standardschrauben weiter verwendet werden können. Für die Befestigung des Kotflügels können durch den Einsatz gesteckter Blechmuttern auf den Kunststoffhaltern ebenfalls die erprobten Schraubsysteme beibehalten werden.

Projektziele erreicht

Die erreichte Gewichtseinsparung im Bauteil selbst liegt bei 54 Prozent und damit noch über der ursprünglichen Zielvorgabe. Weitere Gewichtseinsparungen werden durch das Einsparen von Montagematerial erzielt, wie etwa Winkelbleche sowie Schrauben und Muttern. Das Projekt zeigt, dass auch in bestehenden Serienfahrzeugen Metall-Substitutionen wirtschaftlich durchgeführt werden können.

Über den Autor

Horst Hauke

ist Geschäftsführer von
BBP Kunststoffwerk Marbach Baier, Marbach.
hhauke@bbp-online.de