KunststofenRubber.nl

Kunststof nokkenasmodule 'groener' dan aluminium

30 juli 2020 om 15:03 uur

De vezelversterkte thermohardende polymeercomponent verlaagt het motorgewicht.

Het Fraunhofer Instituut voor Chemische Technologie (ICT) heeft met verschillende partners een kunststof nokkenasmodule ontwikkeld. De nieuwe module is niet alleen lichter dan een aluminium exemplaar, en dat verlaagt het zwaartepunt van de motor, de kunststof module heeft ook nog eens een kleinere CO2-‘footprint’.


Nokkenassen openen en sluiten de kleppen in een verbrandingsmotor. De kleppen zitten in de de nokkenasmodule, die standaard van aluminium is. Maar autofabrikanten en -leveranciers steken veel energie in het maken van lichtgewicht aandrijflijnen. Fraunhofer ICT ondersteunt de automobielindustrie hierbij en de nokkenasmodule uit vezelversterkte thermoharders is daarvan een voorbeeld.

De lichtgewicht module is het resultaat van een samenwerking met de Duitse toeleverancier Mahle Group en geassocieerde partners Daimler AG, de Belgische kunststoffabrikant SBHPP/Vyncolit NV en de Franse matrijs- en gereedschapmaker Groupe Georges Pernoud. Het Duitse Bondsministerie van Economische Zaken en Energie (BMWi) heeft het project gefinancierd.

Katrin Schindele, projectmanager bij Mahle over de samenwerking: "We zijn zeer tevreden over de functionele prototypes en de testresultaten. Iedereen die aan het project heeft gewerkt, heeft zich volledig ingezet voor de ontwikkeling van deze nokkenasmodule."

 

Vezelversterkte thermoharders

Bij de zoektocht naar de juiste polymeer hebben de projectpartners gekozen voor vezelversterkte thermoharders met een hoge sterkte. Deze materialen zijn goed bestand zijn tegen hoge temperaturen en mechanische en chemische belastingen, zoals die van bijvoorbeeld synthetische motoroliën en koelvloeistoffen.

"Onze bijdrage is de knowhow om het ontwerp van de geometrie van de componenten aan te laten sluiten op het materiaal en het proces, zodat ze aan alle eisen voldoen", zegt Thomas Sorg, onderzoeker bij Fraunhofer ICT. "De nokkenasmodule bevindt zich in de cilinderkop, dus normaal gesproken bovenin de inbouwruimte voor de aandrijflijn. Hier is het bijzonder zinvol om het gewicht te verminderen, omdat dit ook bijdraagt aan het verlagen van het zwaartepunt van het voertuig."

 

Milieuvoordelen

Een lagere voertuigmassa heeft uiteraard een gunstig effect op de milieubelasting veroorzaakt door  het voertuig. Maar er schuilen meer milieuvoordelen in het een keuze voor een nokkenasmodule uit vezelversterkte kunststof in vergelijking met een exemplaar uit aluminium. Kunststoffen met een hoge mate van vezelversterking hebben een veel lagere CO2-'footprint' dan aluminium, aangezien voor de productie van dit lichte metaal heel veel energie nodig is.

Ook is de levensduur van een matrijs voor een thermohardende polymeer, die tot een half miljoen producten gaat, aanzienlijk hoger dan een hoge-druk spuitguitmatrijs voor aluminium. Daar komt nog bij dat de aluminium gietstukken nog uitgebreid moeten worden bewerkt en dat is een aanzienlijke kostenpost. Met vezelversterkte thermoharders is ‘near-net-shape'-productie mogelijk. Hierdoor blijft de nabewerking beperkt en dat leidt weer tot lagere productiekosten.

 

Geluid

En er is nog een ander voordeel: autofabrikanten staan te popelen om de geluidsemissies tot een minimum te beperken. Rammelende auto's zijn niet alleen vervelend, maar het is uiteraard ook geen kenmerk dat met een gunstig effect op de verkoopcijfers. Geluidshinder en trillingen (NVH - Noise, vibration, and Harshness) staan hoog op de lijst van factoren staan die gebruikt worden om de kwaliteit van voertuigen te beoordelen. Polymeren hebben goede dempingseigenschappen. "Dit maakt het zeer eenvoudig om het akoestisch gedrag van de nokkenasmodule te optimaliseren", zegt Sorg.

 

Uit een stuk

De nokkenasmodule heeft een monolithisch ontwerp met geïntegreerde lagers. Een module uit een stuk vermindert de tijd voor het monteren in de motorenfabriek. De autofabrikant ontvangt een voorgeassembleerde module van de leverancier, die met een paar eenvoudige handelingen op de motor kan worden gemonteerd. De aparte, tijdrovende montage van de nokkenas vervalt hierdoor. De oplossing heeft als bijkomend voordeel dat aluminium inserts in sterk belaste gebieden van de nokkenaslagers de directe krachten absorberen.

 

600 uur op de proefstand

De kunststof nokkenasmodule is op dit moment beschikbaar als functionele ‘demonstrator‘. Simulatieberekeningen hebben geholpen bij het het ontwerpen en valideren van het prototype voor de eigenlijk productie. "Hoewel de stijfheid van de thermohardende polymeer maar een kwart is van die van aluminium, hebben de ontwerpbeslissingen ons in staat gesteld ons te houden aan de maximaal toelaatbare vervorming."

De eerste tests op de proefstand hebben de positieve verwachtingen ten opzichte van de aluminium referentiemodule aangetoond. "We kunnen de nokkenasmodules van thermohardende polymeer veel gemakkelijker produceren dan hun tegenhangers van lichtmetaal, en we kunnen het zelfs economisch doen in een spuitgietproces."

600 uur op de proefstand in een moderne verbrandingsmotor en de module functioneert onberispelijk. In de planning zitten nog brandstofinjectietests. Hiermee willen de projectpartners de functionaliteit en de NVH-karakteristieken bewijzen, rekeninghoudend met de gaskrachten in het verbrandingsproces.

 

Focus op ...

Agenda

15 september 2020, Utrecht

Empack 2020

Empack is als verpakkingsvakbeurs uitgegroeid tot de grootste van de Benelux.

15 september 2020, Geleen

3D Printing Materials Conference

3D Printing Materials Conference is a platform and information interface enabling an exchange of...

16 september 2020, Hardenberg

Mix Noordoost 2020

Een nieuw platform en een nieuwe vakbeurs van Easyfairs voor de maakindustrie van Noordoost-Nederland...

Meer agendapunten »