Bei der Fertigung des Batteriegehäuses werden Preforms in das eigens hierzu entwickelte Spritzgusswerkzeug eingelegt und der Schaumkern injiziert. Innerhalb von zwei Minuten ist das Faserverbund-Gehäuse fertig. (Bild: Fraunhofer LBF)
Bei dem vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelten Leichtbau-Batteriepack kommen ausschließlich Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Laut LBF konnte das Gewicht gegenüber Aluminiumgehäusen um 40 Prozent gesenkt werden. Diese Bauweise reduziere nicht nur die bewegte Masse des E-Mobils, sondern erhöhe dank zusätzlich integrierter Funktionen dessen Reichweite und Dynamik. Da das Batteriepack in einem eigens entwickelten hocheffizienten Verfahren gefertigt werde und über einen spezifischen Strukturaufbau verfüge, lasse es sich zudem sehr günstig produzieren.
Laut den LBF-Experten kann die mechanische Struktur des Batteriepacks je nach Fahrzeugdesign mehr als 30 Prozent 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 Batteriepacks leichter zu bauen", betont Felix Weidmann, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF betreut. Ein deutliches Leichtbaupotential sieht er in der gezielten Nutzung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV): "Jedoch müssen Lösungen kostenmäßig wettbewerbsfähig sein und den kritischen Aspekt des Brandwiderstands berücksichtigen."
Schnell dank In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren
Hergestellt wurde ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse aus Endlosfaser-verstärkten Thermoplasten im Sandwichaufbau. Das Forscherteam nutzte dazu ein neuartiges Verfahren, das den hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert, das sogenannte In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren, das die Herstellung fertiger Leichtbau-Batteriegehäuse den Experten zufolge innerhalb von rund zwei Minuten ohne Nachbearbeitung ermöglichen soll. Anders als mit klassischen metallischen Konstruktionsmaterialien und Fertigungsverfahren lassen sich Funktionen wie die thermische Isolationsfähigkeit des hergestellten Batteriegehäuses hierbei im gleichen Prozessschritt integrieren.
Der Aufbau besteht aus einem Gehäuse sowie Zellhaltern aus Faserverbundwerkstoffen. Dabei setzt sich das Gehäuse aus UD-Tapes von SABIC zusammen, die zunächst verwoben und anschließend konsolidiert werden. Das sich aus diesem Prozessschritt ergebende Schachbrettmuster-Laminat wird anschließend vorgeformt und in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzgusswerkzeug beidseitig eingelegt. Durch die gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht das Gehäuse mit Faserverbunddecklagen und einem Schaumkern. Diese beanspruchungsgerechte Sandwichkonstruktion soll zu höchsten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften führen und gleichzeitig den Materialeinsatz der verwendeten Faserverbund-Laminate reduzieren.
Neben dem Verfahren zur effizienten Fertigung der Batteriegehäuse als Faserverbund-Sandwich Konstruktion entwickelten die Darmstädter Forscherinnen und Forscher auch simulationsgestützte Methoden, dank derer sich die Fertigungsqualität vorhersagen und somit die Vorauslegung sowie Fertigung deutlich vereinfachen lassen soll.
