Das Polyamidimid (PAI) Torlon von Solvay Specialty Polymers, Alpharetta (USA), findet Anwendung im Polimotor-2-Projekt zur Fertigung von Nockenwellenrädern, bei denen der Hochleistungskunststoff die herkömmliche Metallkonstruktion substituiert. Solvay ist Hauptmaterialsponsor dieses […]
Beim Nockenwellenrad für das Polimotor 2-Projekt substituiert PAI die herkömmliche Metallkonstruktion. (Foto: Solvay Specialty Polymers)
Das Polyamidimid (PAI) Torlon von Solvay Specialty Polymers, Alpharetta (USA), findet Anwendung im Polimotor-2-Projekt zur Fertigung von Nockenwellenrädern, bei denen der Hochleistungskunststoff die herkömmliche Metallkonstruktion substituiert. Solvay ist Hauptmaterialsponsor dieses Projekts, das unter Leitung des legendären Kfz-Innovators Matti Holtzberg das Ziel verfolgt, für ein Rennen im Jahr 2016 den Vollkunststoffmotor der nächsten Generation zu bauen.
„Torlon PAI von Solvay hat schon eine entscheidende Rolle beim Erfolg unseres ersten Polimotors in den frühen 1980ern gespielt, und der Materialhersteller hat die Bandbreite, Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit seiner Polymertechnologie seither konsequent erweitert“, sagt Holtzberg, Präsident von Composite Castings, LLC, mit Sitz in West Palm Beach (USA). „Der kontinuierliche Fortschritt bei Solvay bot uns die Möglichkeit, den Innovationsgrad beim Polimotor 2 weiter zu steigern und mit einem carbonverstärkten Torlon PAI ein mechanisch festes, aber extrem leichtes Nockenwellenrad zu entwickeln. Dies ist nur die erste von mehreren bahnbrechenden Anwendungen unter Einsatz fortschrittlicher Materialtechnologie von Solvay, die wir in den kommenden Monaten vorstellen werden.“
Die Rohlinge wurden von Allegheny Performance Plastics, LLC spritzgegossen, einem Verarbeiter von Hochleistungsthermoplasten. Die Endbearbeitung erfolgte bei Gates Corporation, einem Hersteller von Antriebsriemen und weltweit führenden Fluidtechnikprodukten, der das Konzept einer Geradverzahnung umsetzte, die den Verschleiß reduziert und die Drehmomentübertragung zwischen Zahnrad und Riemen optimiert. Im Polimotor 2 kommen zwei Nockenwellenräder mit 102 mm Durchmesser sowie ein weiteres 51-mm-Zahnrad im Ventiltriebsystem zum Einsatz.
Nockenwellenräder werden in Kfz-Motoren an einem Ende der Nockenwelle befestigt, um gemeinsam mit dem Zahnriemen die Nocken- und Kurbelwellenbewegungen zu synchronisieren. Obwohl die Nockenwellenräder dabei laufend hohen Drehmomenten, extremen Temperaturen und Vibrationen sowie Schmutz, Kfz-Medien und Streusalz ausgesetzt sind, müssen sie eine präzise kontrollierte Nockensteuerung sicherstellen, um die optimale Motorleistung aufrecht zu erhalten.
Nockenwellenräder werden konventionell aus Sinterstahl oder Aluminium und gelegentlich auch aus phenolischen Duroplasten hergestellt. Bei den Getriebezahnrädern für Polimotor 2 fiel die Wahl auf Torlon 7130 PAI, ein Ultra-Hochleistungsmaterial mit 30 % Carbonfaserverstärkung, das Solvay erst Jahre nach dem ersten Polimotor-Projekt der 1980er Jahre eingeführt hatte.
Als eine Materialklasse für sich liefert PAI die höchste Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aller thermoplastischen Polymertechnologien bis 275 °C. Bei Torlon 7130 PAI sind diese mechanischen Eigenschaften mit einer spezifischen Festigkeit von 1,4 x 10^5 J/kg und einer spezifischen Steifigkeit von 6 x 10^7 J/kg am ausgewogensten. Edelstahl bietet demgegenüber nur eine spezifische Festigkeit und Steifigkeit von 3,1 x 10^7 J/kg bzw. 24×10^6 J/kg.
In der Praxis bedeutet dies, dass das aus PAI gefertigte Nockenwellenrad des Polimotor 2 gegenüber einer 1,1 kg schweren Edelstahlkonstruktion mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften eine Gewichtsersparnis von 75 % bewirkt.
Im Gegensatz zu Metallen ist das eingesetzte PAI nicht wärmeleitend, was längere Riemenstandzeiten erschließt. Das Material eliminiert auch die Gefahr von Absplitterungen, die beim Einsatz phenolischer Werkstoffe auftreten können, da diese spröder sind. Hinzu kommen die hohe Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit des Hochleistungs-Thermoplasten bei erhöhten Drücken und Geschwindigkeiten, was zur Geräusch- und Vibrationsdämpfung beiträgt. Das Polymer bietet außerdem umfassende Chemikalienbeständigkeit gegen typische Kfz-Medien.
„Die wohlbegründete Wahl dieses hochfesten, leichten und ermüdungsbeständigen Torlon PAI anstelle von traditionellem Sinterstahl oder Aluminium war grundlegend für unsere erfolgreiche Entwicklung eines neuen, hochmodernen Ventiltriebsystems für Polimotor 2“, bestätigt Fraser Lacy, Senior Engineering Specialist bei Gates Corporation.
Ziel des Polimotor-2-Projekts ist die Entwicklung eines 4-Zylinder-Vollkunststoffmotors mit doppelter obenliegender Nockenwelle, der mit einem Gewicht zwischen 63 und 67 kg etwa 41 kg weniger wiegt als ein vergleichbarer heutiger Serienmotor. Einschließlich der aktuellen Nockenwellenräder wird das Projekt von Matti Holtzberg die Polymertechnologie von Solvay für bis zu zehn Motoranwendungen nutzen, darunter eine Wasserpumpe, eine Ölpumpe, Wasserein-/-auslässe, Drosselklappen, Einspritzdüsen und andere Hochleistungsteile. Zu den Materialien, die dafür voraussichtlich zum Einsatz kommen, zählen neben PAI auch das PPA Amodel, das PEEK KetaSpire, das PAEK AvaSpire, das PPSU Radel, das PPS Ryton sowie VPL-Fluorelastomere Tecnoflon.
