Projekt 21609/02

Applikation neuer Materialverbunde auf der Basis nachwachsender Rohstoffe für stark belastbare Funktionsteile im Kraftstofffilter

Projektdurchführung

Pressspanfabrik Untersachsenfeld GmbH
Hammerstr.
08340 Schwarzenberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel ist es, das Festigkeits- und Steifigkeitspotential der Materialkombination Pressspan mit Polycarbonsäure exakt zu bestimmen. Daraus abgeleitet soll eine geeignete Rezeptur entwickelt werden, die den Anforderungen eines Filtermantels gerecht wird, um somit die Voraussetzung für die Herstellung von Einstofffiltern zu schaffen. Gegenwärtig wird der Weißblechanteil des Zapfsäulenfilters (äußeres und inneres Stützgitter) am Ende des Lebenszeitzyklusses verbrannt. Diese Technologie ist ökonomisch und ökolo-gisch höchst bedenklich. Voruntersuchungen zeigten, dass es möglich sein könnte, sowohl den Außenmantel als auch den inneren Stützzylinder aus dem gleichen Verbundwerkstoff wie dem der Filterdeckel herzustellen


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer auf der Saugseite von Zapfsäulen angeordnete Filter ist eine mechanisch und physikal.-chem. hoch beanspruchte Funktionsbaugruppe. Die Entwicklung und Dimensionierung des neuen Materialverbundes erforderte zunächst die Erstellung eines Geometrie- und Belastungsmodells unter Beachtung der realen Einbau- und Betriebsbedingungen. In umfangreichen Materialuntersuchungen wurden die Werkstoffkennwerte verschiedener mit Polycarbonsäure modifizierter Pressspäne bei unterschiedlichen Rezepturen und Technologieparametern bestimmt. Die Werkstoffkennwerte des Verbundwerkstoffes wurden durch Optimierung der Rezeptur und der Prozessparameter den besonderen Anforderungen entsprechend eingestellt und die Stabilitätseigenschaften des Filtermantels und der Innenabstützung verbessert. Die Untersuchung der Materialkennwerte in Abhängigkeit von Pressspansorte und Rezeptur bildete auch die Basis für die Ableitung wichtiger technologischer Faktoren. Im zweiten Projektabschnitt erfolgte die geometrische Optimierung des äußeren Filtermantels und des Innenstützzylinders. In experimentellen Versuchen wurden detailliert der Einfluss der Lochgeometrie auf Strömungswiderstand, Dimensionsstabi-lität und mechanischen Belastbarkeit des Geometriekörpers zylindrischer Filtermantel ermittelt und quantifiziert. Es wurde die Medienbeständigkeit gegenüber Kraftstoffen, Pflanzenölen usw. getestet, wobei die mechanischen Materialkennwerte als objektiver Vergleichsparameter dienten. Eine Technologieplanung sowie die Anfertigung und Erprobung von Funktionsmustern in einen Teststand als FuE-Nachweis wur-den durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Ergebnis des Vorhabens gelang es, mit einer geeigneten Rezeptur Pressspan mit der Polycarbonsäure Acrodur® zu modifizieren und einen belastungsgerecht ausgelegten Verbundwerkstoff mit hohen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften zu schaffen. Durch Rezeptur- und Technologieoptimierung konnte auch die essentiell erforderliche Medienbeständigkeit, die Grundvoraussetzung für den Einsatz als Filtermantel, erzielt werden. In umfangreichen Materialuntersuchungen nach standardisierten Prüfverfahren wurden die mechanischen Materialkennwerte des unmodifizierten und des modifizierten Pressspans, unter Verwendung verschiedener Pressspansorten (DIN 7733), ermittelt und ein Materialmodell erstellt, welches auch die Veränderung der Materialkennwerte unter physikalisch/ chemischer Belastung mit berücksichtigt. Von den untersuchten Pressspansorten, wurden mit dem Pressspan PSP 3020 durch Modifizierung mit Acrodur® die höchste Verbesserung der Materialkennwerte erzielt. Der Pressspan 3020 be-sitzt mit 1,0 bis 1,2 g/cm³ eine geringere Rohdichte als die anderen untersuchten PSP-Sorten, wodurch er sich besser mit der Polycarbonsäure tränken und modifizieren lässt und als Verbundwerkstoff bessere mechanische Eigenschaften besitzt. Nach genauer Definition der Geometrie und Berücksichtigung der Einbaubedingungen wurden ein Belastungs- und Beanspruchungsmodell für den vollständigen Geometrie- und Funktionskörper Filter erstellt, die Vergleichsspannungen nach der Normalspannungshypothese berechnet und Optimierungsvorschläge für die Dimensionierung des Filtermantels abgeleitet. Es wurden Filtermäntel mit verschiedenen Lochmustern (variiert wurden Lochdurchmesser, Stegabstand und Öffnungsverhältnis) angefertigt und getestet (Berstversuch, Druckversuch, Medienbeständigkeit). Hinsichtlich Druckverlust durch Strömungswiderstand, ertragbare Druckbelastung in Achsrichtung und Berstwiderstand in Radialrichtung favorisierte sich die Lochgeometrie Rv 3,0-5,0 (Lochdurchmesser 3 mm, Lochabstand 5 mm und Gesamtöffnungsverhältnis von 32,7 %). Parallel dazu erfolgte die Entwicklung und belastungsgerechte Untersuchung geeigneter Fügevarianten für die beiden Stoßkanten des Filtermantels, wenn Dieser zum Zylinder geformt ist. Auch hier konnte mit der Polycarbonsäure Acrodur® (unverdünnt) eine feste Klebeverbindung erzielt werden. Die Klebeverbindung konnte höheren Belastungen standhalten als die getesteten formschlüssigen Verbindungen.
Untersuchungen am vollständig montierten Filter, Druckversuch und Berstversuch zeigten eine gute Belastbarkeit und Dauerfestigkeit des neuen Einstofffilters. Vergleichende Tests zeigten, dass fertig monierte Filter aus dem neuen mit Acrodur® modifizierten Pressspan mit Fmax = 4.540 N ca. 80 % der Druckkräfte ertragen, wie die überdimensionierten bisherigen Filter mit einem Weißblechmantel als Außenmantel und inneres Stützgitter (Fmax = 5.680 N). Damit erfüllt der neue Filter die laut Modellrechnung zu ertragende Mindestdruckkraft von Fmin= 1.815 N. Tests der Medienbeständigkeit des modifizierten Pressspanes ergab, dass in Diesel und in anderen Kraftstoffen eine sehr gute Medienbeständigkeit vorliegt. In Wasser war die Medienbeständigkeit jedoch nicht zufriedenstellend, da der Verbundwerkstoff eine zu starke Quellneigung zeigte. Ursache ist hier das Auflösen der Wasserstoffbrückenbindungen im Pressspan durch das Wasser.
Mit zunehmender Erkenntnis- und Recherchetiefe war eine expansive Entwicklung hinsichtlich möglicher Anwendungsfälle auch als Erodier- und Hydraulikölfilter zu verzeichnen. Gelingt es, die Akzeptanzkriterien beim potentiellen Anwender zu erfüllen und die Vorteile der ökologischen Nachhaltigkeit neben dem effizienteren Ressourceneinsatz ausreichend zu reflektieren, verbessern sich die Überleitungschancen dieser Ergebnisse in KMUs.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse werden im Internet unter wwww.pressspanfabrik.de veröffentlicht. Die expansive Entwicklung weiterer möglicher Einsatzfälle favorisierte die direkte Kontaktaufnahme zu Firmen, für die der Einsatz dieser Filter einen Anreiz hinsichtlich effizientem Ressourceneinsatzes und ökologischer Nachhaltigkeit bietet. Einsatzspezifische Ableitung und Veröffentlichung potentieller Akzeptanzkriterien für industrielle Anwender.


Fazit

Mittels Modifizierung von Pressspan mit Polycarbonsäure Acrodur® wurde ein Verbundwerkstoff mit gu-ten Festigkeitseigenschaften und Medienbeständigkeit geschaffen, der diesen zum Einsatz als Konstruktionswerkstoff für hochbelastete Filtermäntel qualifiziert. Mit der Substitution der bisher eingesetzten Weißblechanteile durch den modifizierten Pressspanverbund konnte ein Einstofffilterkonzept mit innova-tiven ökologischen Nachhaltigkeitsaspekten realisiert werden. Der FuE-Nachweis wurde mit Mustern erbracht und die Eignung in Belastungstest und Modellberechnungen bestätigt.