Sandwich-Leichtbau-Lösungen mit integrierten Elektronik-Schnittstellen und Thermomanagement für E-Fahrzeuge
Wie lassen sich Leichtbau, Funktionsintegration und Thermomanagement in E-Fahrzeugen effizient verbinden? Im Projekt »InThElekt« hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS dafür gemeinsam mit Partnern neue Lösungen entwickelt: thermoplastische Composite-Sandwich- Strukturen mit integrierbaren Elektronikkomponenten, datenbasierter Qualitätssicherung und neuen Material- und Entwärmungskonzepten. Die Ergebnisse zeigen, wie sich Bauteile leichter, funktionsreicher und fertigungsgerecht auslegen lassen.
Der Ansatz von »InThElekt – Integrale Thermoplast-Sandwich-Struktur-Bauteile mit adaptierten Elektroniken für E-Fahrzeuge« ist es, herkömmliche metallische Fahrzeugstrukturen in Elektroautos durch Kunststoffbauteile in innovativer Composite-Sandwich-Technologie mit integrierten Elektronikkomponenten zu ersetzen. Dadurch können das Fahrzeuggewicht reduziert, der Energieverbrauch verringert und die Reichweite erhöht werden. Eine große Herausforderung dabei ist das Abführen der durch die Elektronikkomponenten erzeugten Wärme. Denn die Kunststoffstrukturen haben üblicherweise nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Verbundpartner ElringKlinger AG, EDAG Engineering GmbH, SimpaTec GmbH, Symate GmbH, NetCo Professional Services GmbH, Berliner Nanotest und Design GmbH, Fraunhofer IMWS sowie die Technische Universität Chemnitz haben deshalb Lösungen mit neuartigen Elektronik-Vergussmaterialien, Thermomanagement und Schnittstellenkonzepten entwickelt. Als assoziierte Partner wirkten die Volkswagen AG, die HÜBERS Verfahrenstechnik Maschinenbau GmbH und die ENGEL Austria GmbH mit.
Im Mittelpunkt der Aktivitäten am Fraunhofer IMWS stand die Entwicklung von Composite-Sandwich-Leichtbaustrukturen mit endlosfaserverstärkten thermoplastischen Deckschichten (Organobleche) und geschäumten Kernen im Thermoplast-Schaumspritzguss (TSG). Diese wurden mit dem sogenannten Negativprägen kombiniert, um höchste Schäumgrade zu realisieren (TSG-Composite-Sandwich). So lassen sich zukünftig serientaugliche Leichtbauteile mit strukturellen und funktionalen Anforderungen für Anwendungen wie dem Automotive-Bereich umsetzen.
»Im Projekt konnten wir zeigen, dass sich Leichtbau, Funktionsintegration sowie fertigungs- und werkstoffgerechtes Design in thermoplastischen Sandwichstrukturen wirkungsvoll zusammenführen lassen. Wir haben am Beispiel eines Leichtbau-Montageträgers erfolgreich die innovative Technologie, elektrische Funktionsintegration sowie Gewichtsersparnis gegenüber der vorherigen Stahlbauwese demonstrieren können«, sagt Dr.-Ing. Matthias Zscheyge, der am Fraunhofer IMWS das Teilvorhaben »Erforschung neuartiger Thermoplast-Sandwich-Technologien sowie innovativer Gehäusematerialien und Entwärmungskonzepte zur Integration von automotiven Elektronikkomponenten« geleitet hat.
Zu den zentralen Herausforderungen gehörte es dabei, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Material, Prozess und Bauteilgeometrie beherrschbar zu machen. Untersucht wurde dabei im Detail, wie sich unterschiedliche Materialsysteme, Schäumverfahren, Expansionsgrade und Prozessparameter wie Werkzeugtemperaturen und Haltezeiten auf die lokale Schaumstruktur und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften des Sandwichverbundes auswirken. Parallel dazu mussten geeignete Schnittstellen zwischen Struktur- und Elektronikkomponenten sowie Thermomanagementkonzepte entwickelt werden.
In umfangreichen Kampagnen wurden verschiedene Versuchs- und Demonstratorstrukturen konzipiert, werkzeugtechnisch umgesetzt und prozesstechnisch untersucht. Dazu wurden beispielsweise ein komplexes Versuchswerkzeug für den Schaum-Spritzguss und die Organoblech-Integration sowie eine Automatisierung mittels Robotergreifsystem entwickelt. Umfangreiche experimentelle Studien zum physikalischen und chemischen Schäumen lieferten belastbare Daten zur Schaumstruktur, Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit. Beispielsweise wurden die rheologischen Eigenschaften der ausgewählten Spritzgusscompounds und das Verarbeitungsverhalten der thermoplastischen Tape-Deckschichten in Abhängigkeit der Prozessparameter umfassend charakterisiert, ebenso die resultierenden mechanischen Eigenschaften der Sandwichstrukturen und Grenzschichten. Zerstörungsfreie Prüfmethoden wie Röntgen-Computertomographie und Ultraschall kamen zusätzlich zum Einsatz, um Porosität, Zellverteilung, Deckschichtaufbau und lokale Strukturqualität detailliert zu analysieren. Mechanische Prüfungen sowie simulationsgestützte Auslegungsansätze ermöglichten darüber hinaus eine gezielte Bewertung des Strukturverhaltens.
Für die Elektronikintegration wurden neuartige anorganische Vergussmassen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Zuverlässigkeit untersucht. Dazu wurden Verarbeitungskonzepte zur Anwendung in leiterplattenbasierten Elektronikbaugruppen und zur Integration in Leichtbauelemente entwickelt sowie neue Präparations- und Diagnostikmethoden für die Fehleranalyse umgesetzt. An eigens erstellten Funktionsmustern wurden Zuverlässigkeitsrisiken und Alterungsmechanismen für Elektronikkomponenten mit neuartigen Vergussmaterialien bewertet. Dazu wurden hochaufgelöste Analysen zur Mikrostrukturcharakterisierung (Ionenstrahltechniken, SEM, EDX) sowie gezielte Temperaturwechselbelastungen, Tests des Oberflächen-Isolationswiderstands (SIR-Test), Temperaturschocktests und passive Feuchte-Wärme-Tests durchgeführt, um die ablaufenden Materialreaktionen nachvollziehen und Degradationsmechanismen aufklären zu können.
Flankiert wurde dies durch Konzepte für integrierte Datenerfassung und datenbasierte Qualitätssicherung, wofür Parameter beispielsweise aus Spritzgussmaschine, Infrarotofen und Robotergreifsystem kombiniert und für spezifische Benutzerrollen (z.B. Einrichter, Spritzgießer, Projektleiter) vollautomatisch verfügbar gemacht werden, was besonders tiefe Einblicke in die Prozess-Eigenschafts-Beziehungen erlaubt.
»Wir konnten tragfähige Konzepte für die kunststoffgerechte Integration leistungsdichter Elektronik, für alternative Gehäuselösungen sowie für die thermische Optimierung vergossener Systeme erarbeiten. Besonders wertvoll ist, dass wir Werkstoffentwicklung, Prozesstechnik, Simulation, Prüftechnik und Datenanalyse in einem gemeinsamen Entwicklungsansatz zusammengebracht haben. Dadurch konnten wir zentrale Grundlagen für industrielle Anwendungen schaffen«, sagt Sandy Klengel, ebenfalls Leiterin des Teilvorhabens am Fraunhofer IMWS.
Die Projektergebnisse eröffnen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere für Strukturbauteile im Automobil mit integrierten Elektronik- und Thermomanagementfunktionen. Damit liefert »InThElekt« wichtige Impulse für die nächste Generation ressourceneffizienter, leistungsfähiger und industriell umsetzbarer Fahrzeugkomponenten, insbesondere im Bereich E-Mobilität.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Matthias Zscheyge; Gruppenleiter »Thermoplastische Leichtbau-Technologien«;
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS; Telefon +49 345 5589-475; matthias.zscheyge@imws.fraunhofer.de
Sandy Klengel; Gruppenleiterin »Bewertung elektronischer Systemintegration«;
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS; Telefon +49 345 5589-125; sandy.klengel@imws.fraunhofer.de
Weitere Informationen:
https://www.imws.fraunhofer.de/de/kompetenzfelder/Kunststoffe_1/aktuelle-forschung/sandwich-elektronik-integriert-elektromobilitaet.html
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