Leichtbau-Batteriegehäuse in nur zwei Minuten

Mit einem neuartigen In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren lässt sich ein Leichtbau-Batteriegehäuse aus Faserverbunden mit Schaumkern sehr effizient herstellen.

Kosteneffizienter Leichtbau eines Batteriegehäuses für die Elektromobilität: Forschende des Fraunhofer LBF haben ein Batteriegehäuse entwickelt, das ausschließlich Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) verwendet. So konnte das Gewicht gegenüber Batteriegehäuses aus Aluminium um 40 % gesenkt werden. Weil das Batteriegehäuse in einem eigens entwickelten hocheffizienten Verfahren gefertigt wird und über einen spezifischen Strukturaufbau verfügt, lässt es sich zudem sehr günstig produzieren.

Batteriegehäuses für Elektrofahrzeuge sind aufgrund der hohen Menge benötigter Batteriezellen sehr schwer. Auch die mechanische Struktur um die Zellen, wie Zellhalter und insbesondere das gegenwärtig aus Aluminium oder Stahl hergestellte Gehäuse, bringen viel Gewicht auf die Waage. So kann die mechanische Struktur eines Batteriegehäuses mehr als 30 % von dessen Gesamtmasse ausmachen.

„Um die gravimetrische Energiedichte zu erhöhen, ohne die Zelltechnik verändern zu müssen, ist es somit naheliegend, die notwendigen mechanischen Strukturen der Batteriegehäuses leichter zu bauen“, betont Dr. Felix Weidmann, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF betreut. Um dies zu erreichen, möchte er Faser-Kunststoff-Verbunde gezielter nutzen. „Jedoch müssen Lösungen kostenmäßig wettbewerbsfähig sein und den kritischen Aspekt des Brandwiderstands berücksichtigen.“

Vor diesem Hintergrund hat das Forscherteam des Fraunhofer LBF ein Leichtbau-Batteriegehäuse aus mit Endlosfaser verstärkten Thermoplasten im Sandwichaufbau hergestellt und nutzte dazu ein neuartiges Verfahren, das den hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert. Dieses In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren ermöglicht die Herstellung fertiger Leichtbau-Batteriegehäuse innerhalb von rund zwei Minuten ohne Nachbearbeitung.

Ein Batteriepack ist aufgebaut aus einem Gehäuse sowie Zellhaltern. Beide werden in der Leichtbauvariante aus Faser-Kunststoff-Verbunden hergestellt. Dabei besteht das Gehäuse aus UD-Tapes von Sabic, welche zunächst verwoben und anschließend konsolidiert werden. Das sich aus diesem Prozessschritt ergebende Schachbrettmuster-Laminat wird anschließend vorgeformt und in ein hybrides Schaumspritzgusswerkzeug beidseitig eingelegt. Das Team im Fraunhofer LBF hat dieses Werkszeug hierfür entwickelt.

Durch die gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht auf diese Weise das Gehäuse mit Decklagen aus Faserverbund und einem Schaumkern. Dieses Sandwich führt zu höchsten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften und reduziert gleichzeitig den Materialeinsatz der teuren Faserverbund-Laminate. Die damit einhergehende Verringerung der Materialkosten führt in Kombination mit sehr kurzen Zykluszeiten zu geringen Bauteilkosten.

Zudem lassen sich Funktionen, wie die thermische Isolation des hergestellten Batteriegehäuses, im gleichen Prozessschritt integrieren, was mit Metallen und deren Verarbeitungsverfahren nicht möglich wäre. Flammschutzmittel und Auslegung der Strukturen sorgen dafür, dass der Batteriekasten einen hohen Widerstand aufweist gegenüber offenen Flammen und Hitze, wie sie etwa bei einem möglichen Zellbrand oder den UN ECE R100 Prüfungen auftreten können.

Darüber hinaus ist dieses Verfahren geeignet auch andere Anwendungsbereiche und deren Anforderungen abzudecken, da verschiedenste Faserverbundmaterialien und Kunststofftypen kombiniert und angewandt werden können.

mg