Der weltweit erste lasergeschweißte Luftsammler geht in Serie
Die Sauganlage im Motor des BMW M3 Zwei Fügeverfahren und drei Polyamid-Typen für ein Bauteil
Der erste in Serie durch Laserschweißen gefertigte Luftsammler kommt im Motor des BMW M3 zum Einsatz. Die komplexe Baugruppe wird aus drei aufeinander abgestimmten Typen des Bayer-Polyamids Durethan® hergestellt.
Der Trend zu kompakteren Motoren mit höherer Leistung und mehr Design erfordert immer kompliziertere Baugruppen unter der Motorhaube. Jüngstes Beispiel ist der aus Polyamid (PA) gefertigte Luftsammler im BMW M3, dessen Herstellung den Rosenheimer Automobilzulieferer IVU GmbH und Bayer als Rohstoff- und Solution Provider vor ganz neue Herausforderungen stellte. Denn etablierte Schweißverfahren stießen schnell an ihre Grenzen ? wegen der komplizierten Innengeometrie des Bauteils und weil verschiedene Funktionskomponenten in einer bestimmten Reihenfolge ein- und angebaut werden mussten. Eine Kombination aus Heizelement- und Laserschweißen brachte schließlich die Lösung. Voraussetzung dafür war allerdings ein maßgeschneidertes Werkstoffsystem. Fazit: Drei verschiedene Typen des Polyamids Durethan® (PA 6) von Bayer kommen beim Bau des Luftsammlers zum Einsatz.
Herkömmliche Sauganlagen von Kfz-Motoren werden meist durch Vibrationsschweißen zweier oder mehrerer zuvor durch Spritzgießen hergestellter Polyamid-Formteile gefertigt. "Dies kam bei dem Luftsammler nicht in Frage", so Stefan Schulten, Projektleiter im Geschäftsbereich Kunststoffe bei Bayer. "Denn die innenliegenden Ansaugtrichter wären bei anderen Schweißprozessen mit dem Gehäuse kollidiert und beschädigt worden." Deshalb werden zunächst das Ober- und Unterteil des Luftsammlergehäuses durch Heizelementschweißen verbunden ? übrigens einer der ersten Serieneinsätze dieses Verfahrens für PA-Motorraumbauteile. Verwendung findet dabei das strukturviskose Durethan BKV 330 H2.0, das trotz der Schweißnahtlänge von 1480 Millimetern die hohen Anforderungen an die Dichtigkeit und Schweißnahtfestigkeit erfüllt.
Anschließend werden die sechs Ansaugtrichter zur Luftführung durch eine Öffnung an der Lufteintrittseite des Sammlers in den Innenraum geführt, fixiert und von innen mit einem Diodenlaser eingeschweißt. Ein anderes Fügeverfahren ist aus räumlichen Gründen nicht möglich. Die Ansaugtrichter bestehen aus naturfarbenem Durethan BKV 30 H1.0, das wegen seiner hohen Transmission für den Laserstrahl durchlässig ist. Dieser fällt daher direkt auf die schwarze Oberfläche des Luftsammlergehäuses und wird dort absorbiert. Die entstehende Wärme schmilzt beide Fügeelemente an ihren Berührflächen auf, so dass eine Schweißnaht entsteht.
Anspruchsvoller gestaltet sich das Verschweißen des Deckels vom Hydraulik-Ölbehälter. Denn alle sichtbaren Teile des Luftsammlers müssen wegen des Designs schwarz sein. Um den Deckel dennoch durch Laserschweißen einbauen zu können, wird er aus einem kürzlich speziell für solche Einsätze bei Bayer entwickelten Durethan-Typ hergestellt. "Clou des Materials", so Schulten: "Im sichtbaren Bereich des Lichts ist es schwarz, für Infrarotstrahlung, also für das Licht des Diodenlasers, dagegen durchlässig." Der Schweißprozess funktioniert daher im Prinzip so wie im Falle der Ansaugtrichter. Es resultiert eine unsichtbare, saubere Naht, die nicht nachbearbeitet werden muss. Außerdem kommt es nicht zur Fusselbildung, so dass der Ölbehälter nicht verschmutzt wird.
"Das Laserschweißen hat in dieser Anwendung Premiere", so Schulten. "Die Vorteile waren so überzeugend, dass auch der Anschluss des Leerlaufstellers und die Anschlusskupplung des Ölbehälters nach diesem Verfahren mit dem Luftsammler verschweißt werden."
Der Produktion des gesamten Bauteils gingen bei Bayer umfangreiche Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode voraus. Das Spritzgießwerkzeug musste so optimiert werden, dass der Verzug an den Luftsammlerschalen möglichst gering ausfiel. Verzug der Formteile hätte die Qualität der Schweißnähte erheblich verschlechtert und den Standwinkel der Ansaugtrichter verändert. Diese müssen aber lage- und formgenau angeordnet sein, weil sie sonst mit dem Gehäuse kollidieren und sich zudem die Leistung des Motors verschlechtern würde.
Außerdem wurde das akustische Verhalten des Luftsammlers mit einer holografischen Analyse untersucht. Durch eine zusätzliche Innenverrippung in den Luftsammlerschalen gelang es, die Schallemission auf ein Drittel des vorherigen Wertes zu senken und die Anforderungen des Automobilherstellers zu erfüllen.
Das Ergebnis der engen Kooperation von IVU und Bayer kann sich sehen lassen: Der Luftsammler ist gegenüber seinem Vorgänger aus Aluminium fast um die Hälfte leichter. Außerdem erfordert er weniger nachträglichen Montageaufwand. Denn dank der Designfreiheiten, die Polyamid und der Spritzguss eröffnen, lassen sich viele Einzelteile und Funktionen von vornherein integrieren und mit einer optisch ansprechenden Narbung versehen.
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