Kunststoffmotoren könnten dazu beitragen, dass Autos leichter werden

Jul 25, 2023

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Von Don Sherman

WENN das Verkehrsflugzeug Boeing 787 nächstes Jahr in den kommerziellen Dienst geht, werden Reisende auf Flügeln und Rümpfen aus fortschrittlichen Verbundkunststoffen transportiert.

Dies wirft eine logische Frage auf: Wenn moderne Kunststoffe robust genug für Flugzeuge mit einer Geschwindigkeit von 600 Meilen pro Stunde sind, warum werden dann Automotoren immer noch durch das Gießen von geschmolzenem Metall in Formen hergestellt, ein 6.000 Jahre alter Prozess?

Diese Ungleichheit ist für Matti Holtzberg, einen Ingenieur aus New Jersey, der 30 Jahre lang versucht hat, Eisen- und Aluminiummotoren den Weg des Wollmammuts zu ebnen, besonders ärgerlich. Die von ihm in den 1980er Jahren entworfenen und gebauten Kunststofftriebwerke erwiesen sich als robust genug, um im professionellen Motorsport anzutreten.

Aber Herrn Holtzberg gelang es nicht, die Automobilhersteller davon zu überzeugen, dass die Vorteile – große Gewichts- und Kosteneinsparungen – das Risiko wert waren. Daher bleiben Kunststoffmotoren ebenso wie die langlebige Batterie und die straßentaugliche Wasserstoff-Brennstoffzelle kaum fruchtbar.

Was Herrn Holtzberg am Laufen hält, ist der gelegentliche Verbündete, den er für seine Denkweise gewinnt. Kürzlich ging er eine strategische Partnerschaft mit der Huntsman Corporation aus Houston ein, einem globalen Chemieunternehmen mit 12.000 Mitarbeitern und einem Jahresumsatz von 10 Milliarden US-Dollar. Huntsmans bewährte Erfolgsbilanz als Zulieferer in der Automobilindustrie könnte ihm die nötige Schlagkraft verleihen, um Kunststoffmotoren aus dem Labor auf das Testgelände zu bringen, wo Automobilingenieure nach Möglichkeiten suchen, die nächste Runde der Kraftstoffverbrauchsziele zu erreichen.

Herr Holtzberg ist nicht der erste Pionier, der bei dem Versuch, Kunststoffe in den Mainstream zu bringen, frustriert ist. Henry Ford war ein früher Verfechter von Kunststoffen und beauftragte Projekte zur Erforschung alternativer Materialien für Autokarosserien in einer Zeit, in der Stahl aufgrund der militärischen Aufrüstung für den Zweiten Weltkrieg knapp war. Und er übernahm die Führung bei der Förderung des Konzepts: 1941 schlug er mit einer Axt auf sein Privatauto ein, um die Robustheit eines experimentellen Kofferraumdeckels aus Kunststoff zu demonstrieren.

Ford-Autos waren jahrelang mit aus Sojamehl geformten Hupenknöpfen, Schaltknäufen, Türgriffen und Steuerrädern aus Kunststoff ausgestattet. Kunststoff wurde von Ford wegen seiner Kosten- und Gewichtseinsparungen sowie seiner Korrosionsbeständigkeit bevorzugt.

Sechs Jahre nach dem Tod von Henry Ford wurde sein Traum endlich wahr. Die erste von mehr als 1,5 Millionen Chevrolet Corvettes mit Glasfaser-Karosserieteilen rollte 1953 von den Montagebändern bei General Motors.

Seitdem profitieren Autos von einem stetig steigenden Kunststoffanteil. Nach Angaben des Energieministeriums enthält ein typisches in Nordamerika hergestelltes Fahrzeug mittlerweile über 300 Pfund dieses Materials, was es nach Stahl zur zweitgrößten Materialart macht. Aber wichtige Strukturkomponenten des Antriebsstrangs – Motorblöcke und Zylinderköpfe, Getriebegehäuse und Achsgehäuse – bestehen aufgrund der Hitze und Belastung, denen sie ausgesetzt sind, weiterhin aus Gusseisen oder Aluminium.

Die Bemühungen von Herrn Holtzberg, dies zu ändern, lassen sich mindestens bis ins Jahr 1969 zurückverfolgen. Als er einen Zeitschriftenartikel in der öffentlichen Bibliothek in Hackensack, New Jersey, las, erfuhr er von einem neuen Kunststoff, der angeblich robust genug ist, um den harten Bedingungen in Motoren standzuhalten. Er besorgte sich ein Muster, fertigte daraus einen Kolben und baute ihn in den Motor des Austin Mini eines Freundes ein.

Der Kunststoffkolben hielt 20 Minuten.

Herr Holtzberg machte weiter. In den 1970er Jahren fertigte und verkaufte er Kunststoffkolben – heute mit Aluminiumköpfen, um den Verbrennungstemperaturen standzuhalten – und Kunststoffpleuel für Rennmotoren. Im Jahr 1979 gründete er Polimotor (der Name ist eine Abkürzung für Polymermotor), um kunststoffintensive Motoren zu entwickeln.

Der erste Polimotor, ein Klon des 2,3-Liter-Vierzylinders Ford Pinto, verwendete Kunststoff für den Block, die Kolbenhemden, die Pleuel, die Ölwanne und den größten Teil des Zylinderkopfs. Bohrungsoberflächen, Kolbenböden und Brennkammerauskleidungen bestanden aus Eisen oder Aluminium. Die Kurbelwelle und die Nockenwelle waren standardmäßige Metallkomponenten.

Kurz nachdem Herr Holtzbergs erster Motor erfolgreich lief, fragte ein Artikel in der Fachzeitschrift Automotive Industries: „Was … ein Kunststoffmotor?“ Zwei Jahre später zeigte Popular Science einen Polimotor auf dem Cover. Bis dahin war Herr Holtzberg zu einem 300-PS-Design der zweiten Generation mit einem Gewicht von 152 Pfund übergegangen; Ein serienmäßiger Pinto-Motor leistete 88 PS und wog 415 Pfund.

Um zu beweisen, dass sein Kunststofftriebwerk langlebig ist, setzte Herr Holtzberg einen Lola-Rennwagen in der Camel Lights-Serie der International Motor Sports Association ein. Amoco Chemical stellte finanzielle Unterstützung für die Vermarktung seines Torlon-Kunststoffharzes bereit. Das einzige Missgeschick bei einem halben Dutzend Rennen 1984 und 1985 war der Ausfall einer Pleuelstange, eines Teils, das von einem externen Lieferanten gekauft wurde.

Trotz seiner Erfolge erregte Herr Holtzberg wenig Aufmerksamkeit. „Ford war technisch interessiert“, erinnert er sich. „Der populärwissenschaftliche Artikel verschaffte ihnen reichlich kostenlose Werbung, aber sie trugen tatsächlich nichts zum Polimotor-Projekt bei.“

Herr Holtzberg beharrte auf Kunststoffen, die sich besser für die Massenproduktion eignen. 1986 verlagerte er seinen Fokus auf Phenolharz, das gleiche Material, das Henry Ford zum Verkleben der Sojabohnenfasern in seiner experimentellen Autokarosserie verwendete. Herr Holtzberg hält immer noch Patente für Polymerformulierungen und Techniken zum Gießen von glasfaserverstärktem Harz in den weit verbreiteten Formen. Er betrachtet seine Verbundgusstechnologie als den nächsten logischen Schritt in der Entwicklung des Automobils, von Holz, Eisen und Stahl zu Aluminium, Magnesium und fortschrittlichen Kunststoffen. Huntsman wird das Epoxidharz liefern und bei den technischen und Marketingbemühungen helfen.

Herr Holtzberg sagte, dass seine Materialien das Gewicht eines Aluminiummotors um 30 bis 35 Prozent reduzieren könnten, aber das sei nicht der einzige Reiz.

„Nach 25 Jahren der Bemühungen fragen endlich große Gießereien nach meinem Verfahren“, sagte er. „Angesichts des Niedergangs der Stahlerzeugung und des Eisengusses in Amerika und des Verlusts eines erheblichen Teils ihres Geschäfts an Asien und Indien sind sie an fortschrittlichen Gussprozessen interessiert, mit denen sich sowohl Material- als auch Bearbeitungskosten senken lassen.“

Siebzehn Lizenznehmer nutzen den Ansatz von Herrn Holtzberg zur Herstellung von Rapid-Prototyping-Komponenten. Ed Graham, technischer Leiter bei ProtoCam in Northampton, Pennsylvania, sagte, dass sein Unternehmen drei Jahre lang die Technologie von Herrn Holtzberg zur Herstellung von Motorteilen genutzt habe. „Das duroplastische Phenolmaterial ist stark und weist eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf“, sagte er. „Der Prozess ist schnell und die Teile gelangen direkt in Versuchsmotoren und Getriebe.“

James Huntsman, Vizepräsident der Abteilung für fortschrittliche Materialien bei der Huntsman Corporation, hofft, dass der Erfolg bei Prototypen von Verbundkunststoffteilen das Interesse an Anwendungen in der Kleinserienproduktion wecken wird. „Wir sind uns bewusst, dass die Ablösung bewährter Prozesse eine lange und schwierige Herausforderung ist“, sagte er. „Wir sind davon überzeugt, dass die Zeit für einen Verbundmotor reif ist.“

Natürlich gibt es Skeptiker.

„Während mittlerweile die Hälfte der Aluminium-Autoräder aus China kommt, sind die Gießereien, die die wichtigsten Gussteile für Antriebsstränge aus Aluminium liefern, in Eigenregie“, sagte Richard A. Schultz, Berater bei Ducker Worldwide, und verwendete den Branchenbegriff für Betriebe, die den Autoherstellern gehören. „Der Energieverbrauch ist kein Problem, ihr Aluminiumschrott lässt sich problemlos recyceln und die Zykluszeit mit Kunststoff wäre sicherlich länger.“

Jay Baron, Präsident und Geschäftsführer des Center for Automotive Research in Ann Arbor, Michigan, wies darauf hin, dass die Automobilindustrie äußerst risikoscheu sei. „Sie werden nicht Tausende von Fahrzeugen herstellen, deren Motoren im Betrieb ausfallen könnten“, sagte er. „Da Motorgussteile aus Kunststoff außerhalb des Hauptgeschäfts eines Automobilherstellers liegen, müssten alle Kosten-, Verarbeitungs- und Haltbarkeitsprobleme in der Zulieferbasis gelöst werden.“

Bevor der Verbrennungsmotor endgültig durch den Elektroantrieb ersetzt wird, bleibt noch Zeit für einige weitere technologische Durchbrüche. Herr Holtzberg und seine Huntsman-Partner setzen darauf, dass Verbundkunststoffmotoren den Durchbruch schaffen.

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