Ingenieure stellen Automotor aus Kunststoff für die Serie vor
Motoren aus Kunststoff? Die Aggregate der Zukunft könnten aus faserverstärktem Harz bestehen. Ein Prototyp ist auf der Hannover Messe zu sehen. Oder besser gesagt: zu bestaunen. Nur die Stellen, die besonders heiß sind, werden von Metallen geschützt. Die Gewichtseinsparung des Motors liegt bei 20 Prozent.
Prüfstand im BMW-Motorenwerk Steyr: Aufgrund der hohen Temperaturen im Motor werden Motorblöcke vor allem aus Gusseisen und Aluminium hergestellt. Jetzt stellen Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologieauf der Hannover Messe einen Motor aus Kunststoff her, der sich auch in Serie produzieren lässt.
Foto: BMW
Ein Benzinmotor aus Kunststoff? Die Idee kam schon in den 1980-er Jahren auf, doch serienreif wurde sie nie. Kein Wunder, denn Kunststoff schmilzt oder verbrennt sogar, wenn er so heiß wird wie der Zylinder eines Motors.
Dass sich Motoren sehr wohl aus Kunststoff für die Serienfertigung konstruieren lassen, zeigen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal bei Karlsruhe auf der Hannover Messe. Der Ein-Zylinder-Motor besteht aus einem faserverstärkten Phenol-Harz des japanischen Unternehmens Sumitomo Bakelite High Performance Plastics.
Besonders beanspruchte Bereiche sind durch Metall geschützt
Das Harz ist zwar besonders wärmebeständig, doch die höchsten Temperaturen, die in einem Motor auftreten, würden auch dieses Material zerstören. Deshalb gibt es an ausgewählten Stellen im Motor dann doch Metall.
Die Pfinztaler Forscher ermittelten zunächst in akribischer Kleinarbeit die Temperaturverteilung in einem Verbrennungsmotor. Dort, wo es zu heiß wird, platzieren sie metallische Verkleidungen, die den Kunststoff vor dem Zerfließen schützen. „In Bereichen, wo starke thermische oder mechanische Belastungen auftreten, bringen wir Inserts aus Metall ein“, schildert Lars-Fredrik Berg, Forschungsbereichsleiter der ICT-Projektgruppe Neue Antriebssysteme.
Aus Metall ist beispielsweise die Zylinderlaufbuchse, in der der Kolben im Laufe des Autolebens millionenfach auf und ab läuft. Auch die Geometrie haben die Wissenschaftler so verändert, dass der Kunststoff möglichst wenig Hitze aushalten muss.
ICT-Forscher: Serienfertigung ist möglich
Den Trick, besonders beanspruchte Motorteile mit Metall zu schützen, wandten schon Entwickler vor in den 80-iger Jahren an. Dennoch blieb die Idee eine Idee. Denn der Motorblock ließ sich nur in zeitaufwendiger Handarbeit herstellen. Die Autoindustrie braucht jedoch eine weitgehend automatisierte Serienproduktion, um pro Jahr Millionen Blöcke zu produzieren. Das geht nur mit Eisen oder Aluminium.
Der Forschungsmotor aus Kunststoff mit eingebautem Leichtbau-Zylindergehäuse: Das Bild zeigt einen Modellmotor, der auf der Hannover Messe gezeigt wird.
Quelle: Fraunhofer ICT
Die Fraunhofer-Forscher umschifften auch diese Klippe. Sie stellen den Motorblock im Spritzgussverfahren her. Das flüssige Gemisch aus Harz und Fasern schießt mit hohem Druck in eine Form. Darin kühlt das Material aus. Der Motorblock ist fertig, wenn das Material ausgekühlt ist und die teilbare Form entfernt wird.
Kunststoffmotor ist 20 % leichter als Pendant aus Aluminium
Der Motorblock aus Harz ist um 20 Prozent leichter als ein Bauteil aus Aluminium, was den Treibstoffverbrauch eines Autos senkt. „Und das bei gleichen Kosten“, so Ingenieur Berg. Möglicherweise ist das Verfahren sogar billiger, weil ein Teil der Endbearbeitung entfällt, etwa das Entfernen von Graten. Das Produktionsverfahren ist industrietauglich, so die Ingenieure des ICT.
Der eingesetzte Kunststoff besteht zu 45 Prozent aus Harz, der Rest sind Fasern, etwa aus günstigen Glasfasern oder teureren Kohlenstofffasern. Den ICT-Ingenieuren ist es dabei gelungen, dass der Kunststoff nicht nur fest genug ist, um die mechanischen und thermischen Belastungen eines Motors auszuhalten. Zugleich trotzt das Harzgemisch auch verschiedenen Stoffen wie glykolhaltigem Kühlwasser, Öl und Benzin. Schließlich darf sich der Kunststoff unter den hohen Temperaturen nicht anders ausdehen als die Metalle. Sonst würden die Inserts ablösen.
Erfolgreiche Tests des Kunststoffmotors auf dem Prüfstand
Der Ein-Zylinder-Motor ist auf dem Prüfstand erfolgreich getestet worden. „Wir erreichen die gleichen Eigenschaften – etwa hinsichtlich der Leistung – wie bei herkömmlichen Motoren“, sagt Berg. Außerdem läuft er leiser und leichter als Aggregate aus Metall. Auch die Wärmeabstrahlung an die Umgebung ist geringer. Im nächsten Schritt wollen die Fraunhofer-Forscher einen Kunststoffmotor mit mehreren Zylindern bauen.
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