Die Automobilhersteller setzen neue Technologien ein, um die Effizienz der Verbrennungsmotoren zu steigern, die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch zu senken und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren. Grob unterstützt die Automobilhersteller dabei mit Knowhow in der Beschichtungstechnologie.
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Begriffe wie Downsizing, Effizienzsteigerung, Gewichtsreduzierung oder Leistungssteigerung beschreiben aktuelle Anstrengungen der Automobilindustrie, Emissionen und Verbrauch moderner Fahrzeuge zu reduzieren. So nimmt die Verbesserung der Gesamtperformance des Motors eine zentrale Stellung ein. Mit neuen Technologien wird versucht, die Effizienz der Verbrennungsmotoren zu steigern und ihr Gewicht zu reduzieren. Eine dieser Technologien betrifft die Beschaffenheit der Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren mit Aluminiumgehäuse. Die bisherigen technischen Lösungen werden durch eine dünne aufgespritzte Stahlbeschichtung ersetzt.
Die Entwicklung der Beschichtungstechnologie im Hause Grob ist ein weiterer Schritt um die Grob-Produktionslinien für Zylinderkurbelgehäuse durch eine Produktionszelle für thermisches Beschichten mit einem Grob-eigenen Beschichtungsverfahren zu erweitern.
Die Stärke dieser superdünnen Stahlschicht auf der Zylinderbohrung eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses liegt in deren hervorragenden Eigenschaften. Neben der Gewichtsreduktion im Vergleich zu herkömmlichen Grauguss-Zylinderlinern erreicht diese Stahlschicht – auch gegenüber monolithischen, übereutektischen Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen – einen extrem niedrigen Verschleiß, weniger Reibung und eine höhere chemische Beständigkeit gegenüber aggressiven Kraftstoffen. Der Verzicht auf Grauguss-Zylinderliner reduziert außerdem die Eigenspannungen nach dem Erstarren des Zylinderkurbelgehäuses im Gießprozess. Darüber hinaus wird eine effizientere Abfuhr der Verbrennungswärme erreicht, woraus eine höhere statische und dynamische Belastbarkeit des Motors im Betrieb resultiert. Für das Verbrennungsmotoren-Triebwerk der Zukunft ist diese Technologie im Hause Grob richtungsweisend und wird daher ein fester Bestandteil des Grob-Produktangebotes.
Für das Beschichten ist eine im Folgenden beschriebene Reihe von Prozessen erforderlich, um den erfolgreichen Ablauf des Verfahrens sicherzustellen. Nur wenn ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse in hoher Qualität gegossen wurde, ist es zur Beschichtung geeignet.
Die Aktivierung der Aluminium-Zylinderfläche stellt sicher, dass die aufgebrachte Stahlschicht auf diesem Substrat haften kann. Die Zylinderbohrungen werden positionsgenau zur Kurbelwelle gebohrt. Grob bietet hier eine Lösung auf G-Modulen an, in der die Aktivierung durch ein mechanisch bearbeitetes Aufrau-Profil erfolgt. Die Überwachung der Aktivierungsqualität erfolgt durch die optische Schneidenprüfung in der CNC-Maschine.
Zwischen der später aufgebrachten Schicht und dem Substrat entsteht die Adhäsion durch eine mechanische Verklammerung zwischen der aufgespritzten Schicht und dem Substrat. Mit Hilfe eines Scan-Prozesses der Aluminium-Zylinderbohrung wird die Oberfläche im Hinblick auf zulässige Porositäten und sonstige Fehler untersucht. Vor dieser optischen Überprüfung der aktivierten Zylinder erfolgt eine Reinigung der Oberfläche. Das Aktivieren ist der entscheidende Schritt vor dem Beschichten. Nicht nur die mechanische Adhäsion hängt davon ab. Durch eine geschickte Wahl der Geometrie des Aktivierungsprofils kann auch die Mikrostruktur der folgenden Beschichtung beeinflusst werden. Das Aktivierungsprofil wird im späteren Verlauf maßgeblich die Oberflächeneigenschaften mitbestimmen.
Eine Vielzahl von Parametern gibt dem Grob-Beschichtungsprozess eine hohe Variabilität im Hinblick auf die erzielten Eigenschaften der Stahlschicht. Diese Parameter beeinflussen entscheidend die Mikrostruktur und Mikrohärte der Schicht und somit das mechanische und tribologische Verhalten auf der finalen Oberfläche. Durch eine Vielzahl von Qualitätskontrollen und diagnostischen Methoden, welche bei Grob zur Prozess-überwachung und Qualitätssicherung eingesetzt werden, wird eine reproduzierbar hohe Schichtqualität mit fest definiertem Zustand erreicht. Zur Qualitätssicherung gehören neben Metallographie, Defektprüfung und Härtemessungen auch die Live-Überwachung des Plasma- und Partikelstrahls mit diversen Sensoren.
Die Stahlschicht der Zylinderbohrung wird mit Bearbeitungswerkzeugen positionsgenau in einem G-Modul vorbearbeitet. Die Zylinderbohrung erhält damit eine hochgenaue Rundheit und Geradheit. Die angestrebte Topographie der super-dünnen Stahlschicht wird mit Hilfen eines maximal dreistufigen Honprozesses erreicht. In diesem wird der finale Durchmesser des Zylinders, die Oberflächenstruktur und Glattheit erzeugt. Die hohe, definierte Qualität und Struktur der Oberfläche ist der Schlüssel für das tribologische Verhalten zwischen Kolben, Kolbenring und Laufschicht im Betrieb und somit das zentrale Element im Hinblick auf Erreichung der angestrebten Verbesserungen im Vergleich zu den bisherigen beispielsweise konventionellen Grauguss-Linern.
Grob als Entwicklungspartner
Grob entwickelt und appliziert die vollständige Prozesskette: Aktivierung, Reinigung, Prüfung, Beschichtung, Prozessüberwachung, Realisierung der finalen Oberfläche und Qualitätssicherung. Dabei unterstützt Grob seine Kunden als Entwicklungspartner für die individuelle Applikation der Beschichtung auf die jeweilige Motor-Architektur des Kunden. Die Palette des Angebots reicht dabei vom Standardprozess bis hin zu „Advanced Surfaces“, welche hochspeziell für die Kunden-Anforderungen entwickelt werden.
Der bei Grob entwickelte Beschichtungsprozess GTS (Grob Thermal Spray) bietet hierbei dem Kunden eine hohe Variabilität und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig niedrigen Kosten. Als Eindrahtverfahren mit stehendem Draht, um welchen die Beschichtungskanone rotiert, kann der Prozess über lange Zeit ohne Unterbrechung stabil aufrechterhalten werden und liefert robust eine definierte Schichtdicke, so dass die Schichtdicken-messung entfallen kann.
Die Abmessungen der Beschichtungszelle orientieren sich an denen des G-Moduls, so dass eine einfache Integration in die Produktionslinie mit Linearportal möglich ist. Die geringen Investitionen und Prozesskosten sowie die mehrfach niedrigeren Taktzeiten im Vergleich zu anderen, gängigen Beschichtungsverfahren ergeben durch den GTS-Prozess eine hohe Wertschöpfung bei gleichzeitig niedrigen Anschaffungskosten.
Derzeit arbeitet Grob an der Entwicklung der finalen Oberflächen. Mit dem Einzug aggressiver und korrosiver Kraftstoffe wie z. B. Ethanol, Methanol, Schwefel etc. auf dem weltweiten Markt bieten korrosionsresistente Beschichtungen weiteres Verbesserungspotenzial für die Lebensdauer des Motors. Neben dem mikrostrukturellen Aufbau der Schicht wird auch die Erzeugung einer fortschrittlichen Topographie fokussiert. Im Hinblick auf zukünftige „High Performance Tribological Systems“ werden die Oberflächeneigenschaften eine tragende Rolle spielen, um ein reibungsarmes, zukunftsfähiges Verbrennungsmotoren-Triebwerk zu entwickeln.
Grob-Werke GmbH & Co. KG
Der Autor
Dr.-Ing. Bernhard Gand, Bereichsleiter Konstruktion und Entwicklung Beschichtungsanlagen.
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