Leichtbau Leichte Sandwichbauteile integrieren Elektronik in E-Fahrzeuge

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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Wie lassen sich Leichtbau, Funktionsintegration und Thermomanagement in E-Fahrzeugen effizient verbinden? Im Projekt „InThElekt“ hat das Fraunhofer IMWS dafür thermoplastische Composite-Sandwich-Strukturen mit integrierbaren Elektronikkomponenten, datenbasierter Qualitätssicherung und neuen Material- und Entwärmungskonzepten entwickelt.

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 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 die durch Elektronikkomponenten erzeugte Wärme abzuführen. 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 Projekt untersuchten die Forschenden 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 im Automotive-Bereich umsetzen.

Im Projekt untersuchten die Forschenden unter anderem, wie sich der Schäumprozess auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Bauteile auswirkt. Ziel war es, leichte Komponenten zu entwickeln, die zugleich den Anforderungen an die Belastbarkeit und Fertigung gerecht werden.
Die Projektmitglieder konzipierten verschiedene Versuchs- und Demonstratorstrukturen. Hierzu 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.

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.

Sandy Klengel, Leiterin des Teilvorhabens am Fraunhofer IMWS

Neuartige anorganische Vergussmassen

Für die Elektronikintegration wurden neuartige anorganische Vergussmassen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Zuverlässigkeit untersucht. Dazu haben die Projektmitglieder 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 bewerteten die Forscher Zuverlässigkeitsrisiken und Alterungsmechanismen für Elektronikkomponenten mit neuartigen Vergussmaterialien. Dazu führten sie hochaufgelöste Analysen zur Mikrostrukturcharakterisierung (Ionenstrahltechniken, SEM, EDX) sowie gezielte Temperaturwechselbelastungen, Tests des Oberflächen-Isolationswiderstands (SIR-Test), Temperaturschocktests und passive Feuchte-Wärme-Tests durch, um die ablaufenden Materialreaktionen nachvollziehen und Degradationsmechanismen aufklären zu können.