Integrierte Funktionen Leichtbausystem bietet wichtige Zusatz-Features für die E-Mobilität

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) zeigt, wie Leichtbau mit integrierten Funktionen und Thermomanagement klappen kann ...

Der Ansatz des Forschungsprojekts „InThElekt – Integrale Thermoplast-Sandwich-Struktur-Bauteile mit adaptierten Elektroniken für E-Fahrzeuge“ ist es, übliche Metall-Fahrzeugstrukturen in Elektroautos durch Kunststoffteile zu ersetzen, die mittels eines innovativen Composite-Sandwich-Konzepts mit integrierten Elektronikkomponenten hergestellt werden. Dadurch kann das Fahrzeuggewicht reduziert werden und damit bekanntlich auch der Energiebedarf, was zum Beispiel die Reichweite erhöht. Eine große Herausforderung dabei sei es aber, die von den Elektronikkomponenten erzeugte Wärme effektiv abzuleiten. Denn Kunststoffe haben üblicherweise nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Verbundpartner Elringklinger, EDAG Engineering GmbH, Simpatec GmbH, Symate GmbH, Netco Professional Services GmbH, Berliner Nanotest und Design GmbH sowie die TU Chemnitz haben mit dem IMWS deshalb Systeme mit neuartigen Vergussmaterialien für Elektronik, Thermomanagement und Schnittstellenkonzepten entwickelt. Als assoziierte Partner wirkten Volkswagen, Hübers Verfahrenstechnik Maschinenbau und die Engel Austria mit.

Gelungene Kombination aus Material, Prozess und Bauteil

Im Mittelpunkt der Aktivitäten am IMWS stand die Entwicklung von Leichtbaustrukturen per Composite-Sandwich mit Endlosfasern verstärkten, thermoplastischen Deckschichten (Organobleche). Genutzt wurde auch der Thermoplast-Schaumspritzguss (TSG), um geschäumte Kerne herzustellen. Diese wurden mit dem sogenannten Negativprägen kombiniert, um höchste Schäumgrade zu erreichen (TSG-Composite-Sandwich). So ließen sich zukünftig auch serientaugliche Leichtbauteile mit strukturellen und funktionalen Anforderungen für Anwendungen im Automotive-Bereich fertigen. Am Beispiel eines Leichtbau-Montageträgers konnte so erfolgreich die innovative Technologie, elektrische Funktionsintegration sowie Gewichtsersparnis im Vergleich zur vorherigen Stahlbauweise demonstriert werden, wie es weiter heißt. Zu den zentralen Herausforderungen gehörte es demnach auch, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Material, Prozess und Bauteilgeometrie beherrschbar zu machen. Untersucht wurde deshalb im Detail, wie sich unterschiedliche Materialsysteme, Schäumverfahren, Expansionsgrade und Prozessparameter (etwa Werkzeugtemperaturen und Haltezeiten) auf die lokale Schaumstruktur und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften des Sandwich-Verbundes auswirken, wie die Forscher erklären. Parallel dazu mussten geeignete Schnittstellen zwischen Struktur- und Elektronikkomponenten sowie neue Thermomanagementkonzepte entwickelt werden.

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So wurde ein aussagekräftiger Demonstrator hergestellt

Im Rahmen von umfangreichen Kampagnen wurden dann verschiedene Versuchs- und Demonstratorstrukturen konzipiert. Diese wurden werkzeugtechnisch umgesetzt und prozesstechnisch untersucht. Dazu wurden etwa ein komplexes Versuchswerkzeug für den Schaumspritzguss und die Organoblechintegration sowie eine Automatisierung mittels Robotergreifsystem entwickelt. Diverse experimentelle Studien zum physikalischen und chemischen Schäumen lieferten belastbare Daten zu Schaumstruktur, Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit der Teileherstellung. So wurden die rheologischen Eigenschaften der ausgewählten Spritzguss-Compounds und das Verarbeitungsverhalten der thermoplastischen Tape-Deckschichten in Abhängigkeit der Prozessparameter tiefgehend charakterisiert. Ebenso nahm man die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften der Sandwichstrukturen und Grenzschichten genau unter die Lupe. Zerstörungsfreie Prüfmethoden (Röntgen-Computertomographie und Ultraschall) kamen auch zum Einsatz. Damit wurden die Aspekte Porosität, Zellverteilung, Deckschichtaufbau und lokale Strukturqualität detailliert analysiert. Mechanische Prüfungen sowie simulationsgestützte Auslegungsansätze ermöglichten darüber hinaus die gezielte Bewertung des Strukturverhaltens, wie die Forscher anmerken.

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