Duromer-Spritzgießen für die Elektromobilität

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Das Fraunhofer ICT in Pfinztal hat zwei innovative Duromer-Spritzgieß-Projekte für die Automobilindustrie auf den Weg gebracht.

Zum einen handelt es sich um einen direktgekühlten Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse und zum anderen um ein Verdichtergehäuse in Spritzgieß-Nasspress-Hybridbauweise für einen elektrischen Verdichter.

Das zentrale Element einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Mobilität bildet der elektrische Antriebsstrang. Zur gleichzeitigen Optimierung von Leistungsdichte, Effizienz und Kosten hat das Fraunhofer ICT in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen neuen Ansatz erarbeitet, der sich durch eine Kunststoffbauweise in Kombination mit einer direkten Kühlung von Stator und Rotor auszeichnet.

Das Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf segmentierten Einzelzähnen, welche mit einem Flachdraht hochkant bewickelt sind. Durch die Verwendung des Flachdrahts wird zwischen zwei benachbarten Statorzähnen ein Freiraum gebildet, der zur Ausformung eines Kühlkanals genutzt wird. Durch das gewählte Kühlkonzept wird die Verlustwärme direkt im Motor nahe zu ihrem Ort der Entstehung abgeführt, wodurch der Einsatz von Kunststoffen in strukturellen Motorkomponenten ermöglicht wird. Die elektrische Auslegung des Motors wurde dabei auf die Anforderungen der Kunststoffbauweise angepasst.

Die gesamte Statorbaugruppe, bestehend aus den bewickelten und elektrisch verschalteten Einzelzähnen sowie mehreren Temperatursensoren, wird im Transfer-Molding-Verfahren mit einer wärmeleitfähigen Epoxidharz-Formmasse umspritzt, wobei die Kühlkanäle durch Werkzeugkerne gebildet werden. Zur Gewährleistung der strukturellen Integrität des Motors wird die umspritzte Statorbaugruppe in ein spritzgegossenes Gehäuse aus einer strukturellen Phenolharz-Formmasse montiert, in welchem zusätzlich die Lagerung des Rotors und die Abdichtung des Kühlkreislaufs realisiert wird.

Gehäuse für elektrischen Verdichter

Auch anhand eines Verdichtergehäuses für einen elektrischen Verdichter demonstrieren die Forscher am Fraunhofer ICT den Kunststoffeinsatz im direkten Umfeld des Verbrennungsmotors: Das gewählte Verdichtergehäuse besitzt zwei umlaufende Hinterschnitte, sodass ein dreiteiliger Aufbau gewählt wurde. Zwei der Bauteile wurden im Spritzgießen aus einer duromeren Phenolharz-Formmasse hergestellt, eines im Nasspressverfahren aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz.

Dieses Verdichtergehäuse in dreiteiliger Kunststoffbauweise besteht aus Nasspress- und Spritzgießbauteilen. Bild: Fraunhofer ICT

Durch diese Materialauswahl soll eine zentrale Herausforderung für ein Verdichtergehäuse – der Berstschutz – erfüllt werden. Im Fall eines Versagens des Verdichterlaufrads dürfen keine Bruchstücke das Gehäuse durchschlagen. Die langen, quasiisotrop angeordneten Kohlenstofffasern im Nasspress-Bauteil sollen ausreichend Schlagzähigkeit bieten, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Die geometrische Komplexität wurde gezielt in die Spritzgießbauteile verlegt, da dort präzise und maßhaltige Bauteile hergestellt werden können. Beide Fertigungsverfahren sind großserienfähig und zeichnen sich durch einen hohes Potenzial zur Automatisierung aus.

sk

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