Thermospritzbeschichtung Erhöhte Motorleistung mit Thermospritzbeschichtung

Redakteur: Mag. Victoria Sonnenberg

Mit dem Smart Spray Comau-System lässt sich nicht nur das Gewicht eines Motors verringern, sondern auch dessen Energieverbrauch senken. Eine Verringerung des Fahrzeuggewichts und der Reibungsverluste im Antriebsstrang kann dazu beitragen, die Effizienz insgesamt zu verbessern.

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Mit dem Smart Spray Comau-System kann der Aluminiummotorblock effektiv zu einer monolithischen Struktur werden, die nicht nur das Endgewicht des Motors verringert, sondern auch dessen Haltbarkeit erhöht und Energieverbrauch senkt.
Mit dem Smart Spray Comau-System kann der Aluminiummotorblock effektiv zu einer monolithischen Struktur werden, die nicht nur das Endgewicht des Motors verringert, sondern auch dessen Haltbarkeit erhöht und Energieverbrauch senkt.
(Bild: Comau)

Das ist auch einer der Gründe, warum viele Hersteller heute Motorenblöcke aus einer Aluminiumlegierung statt wie früher aus Gusseisen verwenden. Der wesentliche Vorteil von Aluminium liegt in der Gewichtsreduzierung. Da typische Aluminiumgusslegierungen jedoch andere Verschleißeigenschaften als Gusseisen aufweisen, haben viele Automobilhersteller enorme Zeit für die Entwicklung von Lösungen aufgebracht, mit denen sich die tribologischen Schwächen von Aluminiumzylinderblöcken kompensieren lassen.

Die klassische Lösung bestand darin, die Zylinderbohrungen eines Aluminiumblocks mit Laufbuchsen aus Gusseisen zu versehen. Im Allgemeinen lassen sich mit dieser Lösung die ungünstigen tribologischen Eigenschaften von Aluminium ausgleichen. Allerdings bringt die Verwendung von Gusseisenlaufbuchsen auch Probleme mit sich: Die Unterbringung der Laufbuchse im Motorblock, das Gewicht und die schlechte Verbindung der Buchse mit dem Block an sich. Der größte Nachteil von Graugussbuchsen sind ihre thermodynamischen Eigenschaften und ihre Verbindung zum Aluminium. Problematisch ist aber nicht nur die Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die Wärmekapazität, die sich nachteilig auf die Aufrechterhaltung einer effizienten Kolben- und Bohrungstemperatur für eine optimale Verbrennung auswirken kann. Das kann noch verstärkt werden, wenn die Grenzfläche zwischen Laufbuchse und Blockmaterial nicht ideal ist, wodurch Isolationspunkte zwischen Buchse und Block entstehen. Diese Punkte können dann zu „Hotspots“ an den Bohrungen werden und Frühzündungen verursachen. Selbst wenn die Laufbuchse perfekt in das Blockmaterial eingesetzt ist, können Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität die Ursache dafür sein, dass nicht die optimale Motorleistung erreicht wird.

Ein jüngerer Lösungsansatz zur Bewältigung dieser tribologischen Probleme besteht in der Verwendung des PTWA (Plasma Transferred Wire Arc)-Thermospritzverfahrens, um Aluminiumzylinderbohrungen mit einer präzise kontrollierten Beschichtung aus geschmolzenen Metallpartikeln zu versehen. Mit dem Smart Spray Comau-System kann der Aluminiummotorblock effektiv zu einer monolithischen Struktur werden, die nicht nur das Endgewicht des Motors verringert, sondern auch dessen Haltbarkeit erhöht und Energieverbrauch senkt. Das System ist je nach den speziellen Anforderungen der Fertigungslinie in verschiedenen Konfigurationen erhältlich.

Eine kritische Phase bei der erfolgreichen Herstellung einer Thermospritzbeschichtung ist die Vorbereitung der Substratoberfläche. Mit anderen Worten, der unbeschichteten Bohrungswand. Es gibt eine Reihe gängiger Oberflächenbehandlungsverfahren, die sich jedoch hinsichtlich Verbundfestigkeit, Anwendbarkeit und Kosten deutlich unterscheiden. Bei Aluminiumblöcken werden am häufigsten Wasserstrahl und mechanisches Aufrauen angewandt. Beide Verfahren haben nachweislich eine hohe Verbundfestigkeit bewiesen.

Berücksichtigt werden sollte, dass bei allen Motorbohrungsanwendungen eine gleichbleibende Verbundfestigkeit erforderlich ist. Je nach Fertigungsvorbereitungsverfahren lag die Verbundfestigkeit stets zwischen 35 und 70 MPa, wobei ein Wert über 25 MPa im Allgemeinen ausreicht. Der Einsatz des mechanischen Aufrauens in einer standardmäßigen Bohrmaschine oder einem Bearbeitungszentrum, einem Verfahren, mit dem Motorenhersteller sehr vertraut sind, ermöglicht eine robuste Oberflächenvorbereitung zu geringsten Verarbeitungs- und Investitionskosten.

Bei der Umsetzung einer Themospritzbeschichtungslösung wird auch die Prozesskonfiguration zu einer Schlüsselvariablen, weil die Hersteller entscheiden müssen, ob eine neue Linie gebaut oder eine bestehende Linie nachgerüstet werden soll. Die Implementierung an einem neuen Standort („Greenfield“) bietet klare Vorteile hinsichtlich Flexibilität und optimaler Integration, während bei einem bestehenden Fertigungsbetrieb („Brownfield“) das Spritzbeschichtungssystem vom Hersteller in die vorhandene Fertigungslinie eingebunden werden muss. In diesem Fall empfiehlt Comau eine Konfiguration, bei der die Fertigungsschritte Feinbohren, Oberflächenvorbereiten, Beschichten und Honen integriert sind.

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