Forschung an Leichtbau-Batteriegehäuse

Veröffentlicht am 15.09.2021

Im Fraunhofer LBF wurde ein kosteneffizientes Leichtbau-Batteriegehäuse für batterieelektrische Fahrzeuge entwickelt. Das Gewicht konnte gegenüber Aluminiumgehäusen um 40 Prozent gesenkt werden. Weil das Batteriegehäuse in einem eigens entwickelten hocheffizienten hybriden Verfahren aus Faserkunststoffverbund gefertigt wird und über einen beanspruchungsgerechten Strukturaufbau verfügt, lässt es sich zudem sehr günstig produzieren.

Warum Autos nicht fliegen – Königsdisziplin des Leichtbaus

Das Automobil an sich ist nie dafür entwickelt worden, den Anforderungen in der Luft gerecht zu werden und das Flugzeug nie für die Straße. Was allerdings Flugzeuge, Automobile und alle anderen mobile Systeme gemein haben, ist die Anforderung an wenig Systemgewicht. Dank einer unermesslichen Varianz an Faserlagen, Werkstoffpaarungen und Fertigungstechnologien, ist das Konstruieren mit Faserkunststoffverbunden (FKV) die Königsdisziplin des Leichtbaus.

Ein Forscherteam aus dem Fraunhofer LBF nutzte die Expertise auf diesem Gebiet ein Leichtbau-Batteriegehäuse aus Endlosfaser verstärkten Thermoplasten im dreidimensionalen (3D) Sandwichaufbau hergestellt und nutzte dazu ein neuartiges Verfahren, das den hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert.

In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren

Zum Einsatz kommt das sogenannte In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren, welches die Herstellung fertiger Leichtbau-Batteriegehäuse innerhalb von zwei Minuten ohne Nachbearbeitung ermöglicht. Darüber hinaus lassen sich Funktionen, wie die thermische Isolationsfähigkeit oder Flammschutz, im gleichen Prozessschritt integrieren.

Die Gehäusestruktur besteht aus zwei Faserverbunddecklagen und einer verbindenden Schaumstruktur dazwischen. Die Decklagen bestehen aus unidirektionalen-Tapes, welche zunächst verwoben und anschließend konsolidiert werden. Das sich aus diesem Prozessschritt ergebende Laminat wird anschließend 3D-vorgeformt und in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzgusswerkzeug beidseitig eingelegt. Durch die gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht auf diese Weise die dreidimensionale Struktur des Gehäuses mit Faserverbunddecklagen und einem Schaumkern. Die Verbindung der FKV-Decklagen und des Schaumkerns, welche fundamental für die Belastbarkeit der Sandwichstruktur ist, erfolgt dabei in-situ während der Injektion.

Beanspruchungsgerechte Sandwichkonstruktion für Batteriegehäuse

Die beanspruchungsgerechte Sandwichkonstruktion führt zu höchsten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften und reduziert gleichzeitig den Materialeinsatz der verwendeten Faserverbund-Laminate. Die damit einhergehende Verringerung der Materialkosten bewirkt in Kombination mit den sehr kurzen Zykluszeiten des In-Situ FKV-Sandwich-Verfahrens die geringen Bauteilkosten.

Die benötigten mechanischen Eigenschaften wurden zum einem über Finite Elemente Simulationen während der Konstruktionsphase abgesichert und zum anderem unter realen Bedingungen auf dem Prüfstand validiert (ISO 12405-2, 12405-3).

Das Projekt wurde gefördert durch die Europäische Kommission innerhalb des Förderprogramms H2020 (H2020-GV-2016-2017/H2020-GV-2017). Quelle: Fraunhofer-Institut

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