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Mit leitfähigen Vliesen und Beschichtungen zu leichten Kunststoffgehäusen

| Redakteur: Dorothee Quitter

Elektronische Komponenten müssen vor elektromagnetischen Wellen geschützt werden. Künftig sollen auch Kunststoffgehäuse die notwendige Abschirmung ermöglichen.

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Experten von Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies haben zwei Verfahren entwickelt, mit denen Kunststoffe mit leitfähigen Beschichtungen oder Vliesen versehen werden können.
Experten von Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies haben zwei Verfahren entwickelt, mit denen Kunststoffe mit leitfähigen Beschichtungen oder Vliesen versehen werden können.
(Bild: Freudenberg/ Daniel Fortmann.com)

Wo Strom fließt, entstehen häufig elektromagnetische Störfelder. Wo viel Strom fließt, etwa in leistungsstarken elektrischen Antrieben, nimmt auch die Stärke dieser Felder zu, die den Signalfluss sowohl in Mikroprozessoren als auch in Sende- und Empfangsanlagen stören können. Ein probates Gegenmittel ist die Kapselung elektrischer Komponenten in Gehäusen aus leitfähigem Metall. Als Werkstoff dafür hat sich bislang Aluminium bewährt. Allerdings steigt in Elektrofahrzeugen der Aluminiumanteil dadurch erheblich. Das ist nachteilig, weil Fahrdynamik und Reichweite leiden. Gleichzeitig steigen auch die Kosten, weil die Haltbarkeit der Werkzeuge, mit denen Aluminiumgehäuse gefertigt werden, begrenzt ist. Deutlich leichtere Kunststoffe kamen als Material wegen mangelnder Leitfähigkeit bislang nicht in Frage. Experten von Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies haben daher gemeinsam Verfahren entwickelt, mit denen Kunststoffe mit leitfähigen Beschichtungen oder Vliesen versehen werden.

Zwei Möglichkeiten zur Abschirmung

Um eine gute Abschirmung in dem für den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen besonders relevanten Frequenzbereich von 150 kHz bis 100 MHz zu erreichen, stehen grundsätzlich zwei technische Wege zur Verfügung. Der eine setzt auf den Effekt, dass elektromagnetische Wellen an leitfähigen Oberflächen nahezu vollständig reflektiert werden können. Ein zweiter Weg besteht darin, die elektromagnetischen Wellen bei höheren Frequenzen im Inneren eines Materials abzuschwächen – man spricht dann von Absorption.

Beide Effekte kombinieren zwei von Freudenberg entwickelte Verfahren, die ihre spezifischen Vorteile unter anderem abhängig von der Größe des Bauteils ausspielen. Erste Labortests zeigen sehr hohe Werte für die elektromagnetische Abschirmung von bis zu 99,999999 %.

Vliesstoff mit Kupferoberfläche

Für großflächige Bauteile hat Freudenberg Performance Materials einen Vliesstoff entwickelt, der mit einem speziellen galvanischen Verfahren behandelt wird. Dabei sind die einzelnen Fasern des Vlieses rundum von einer Kupferoberfläche ummantelt, und diese wiederum mit einer weiteren Materialschicht vor Korrosion geschützt. Da solche Vliese als Endlos-Meterware produziert werden, eignet sich diese Technologie besonders für im Preforming-Verfahren hergestellte Bauteile mit großen Oberflächen – etwa für die Gehäusedeckel von Traktionsbatterien.

Das beschnittene Vlies kann dann mit dem ohnehin notwendigen Halbzeug in das Werkzeug eingelegt und verpresst werden. Beim Aushärten entsteht auf diese Weise ein untrennbarer Verbund. Der Materialverbrauch ist durch die geringe Dichte des Vlieses von nur 60 g/m2 – weniger als normales Druckerpapier – äußerst gering. Kombiniert mit dem ohnehin leichten tragenden Kunststoff ergibt sich gegenüber Aluminiumgehäusen eine Gewichtseinsparung von bis zu einem Drittel. Bei einem Batterie-Gehäusedeckel entspricht das rund 5 kg Mindergewicht.

Elektrisch leitende Beschichtung

Für die Abschirmung kleinerer Bauteile hat Freudenberg Sealing Technologies Beschichtungen entwickelt, die elektromagnetische Wellen direkt an der Oberfläche reflektieren. Dafür wird das Kunststoffbauteil mit einer wässrigen Dispersion beschichtet, deren Kunststoffmatrix Füllstoffe mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit enthält. Alternativ kann die Dispersion auch auf eine Kunststofffolie aufgebracht werden, die wiederum in das Spritzgusswerkzeug eingelegt wird. Die hochleitfähige Beschichtung liegt bei diesem Verfahren innen und ist so vor mechanischen Schäden besonders gut geschützt.

Langzeituntersuchungen an Materialproben zeigen, dass solche Beschichtungen auch bei 120 °C ein sehr gutes Alterungsverhalten aufweisen und die Anforderungen der Norm LV 124-2 vollständig erfüllen. Diese Norm legt herstellerübergreifend sowohl die Testverfahren als auch die Grenzwerte für elektrische Komponenten fest, die in Pkw zum Einsatz kommen dürfen. Die abschirmende Beschichtung, das Kunststoffgehäuse und dessen Abdichtung bilden eine Einheit, die idealerweise aufeinander abgestimmt sind. Freudenberg Sealing Technologies bietet solche Lösungen unter dem Motto „Seal & Shield“ an.

Egal welches Verfahren zum Einsatz kommt: Weder das Beschichten noch die Verwendung des Vlieses beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffbauteils. Wichtig ist das vor allem dort, wo elektrische Bauteile wie Motoren oder Batterien im Fahrzeug so verbaut werden, dass sie bei einem Unfall beschädigt werden können. Aber auch Akustik und Vibrationsverhalten des Bauteils werden allein durch die gut berechenbaren Eigenschaften des Kunststoffs bestimmt.

Verbundwerkstoff entwickelt

Für manche Anwendungen ist es wichtig, dass die Absorption den Löwenanteil der elektromagnetischen Abschirmung übernimmt. Dies trifft beispielsweise auf die Gehäuse von Radarsensoren zu, die in einem Frequenzbereich von 77 GHz arbeiten. Würden die Radarwellen an der Gehäuseoberfläche reflektiert, dann könnte es zu Signalverzerrungen kommen. Daher hat Freudenberg Sealing Technologies einen Verbundwerkstoff entwickelt, der sich im Spritzgussverfahren verarbeiten lässt und ersten Messungen zufolge sehr viel höhere Absorptionsraten aufweist als handelsübliche Kunststoffe.

Gelebte Kooperation in der Gruppe

Bei der Entwicklung elektromagnetisch abschirmender Leichtbauwerkstoffe arbeiten nicht nur Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies zusammen. Die beiden Schwestergesellschaften kooperieren sowohl bei der Materialentwicklung als auch bei der Auswahl geeigneter Testverfahren eng mit Freudenberg Technology Innovation, der zentralen Forschungseinheit der Freudenberg-Gruppe.

„‘Innovating together‘ ist für uns nicht einfach ein Schlagwort, sondern Teil unserer Freudenberg-DNA“, betont Claus Möhlenkamp, Vorsitzender der Geschäftsführung von Freudenberg Sealing Technologies. „Gemeinsam arbeiten wir daran, den Weg in das Zeitalter der Elektromobilität zu ebnen.“ Dr. Frank Heislitz, CEO Freudenberg Performance Materials ergänzt: „Das Beispiel Elektromobilität belegt eine zentrale Stärke der Freudenberg-Gruppe. Als Schwesterunternehmen haben wir den großen Vorteil, unser sehr unterschiedliches Know-how kombinieren zu können und somit gemeinsam innovative Lösungen für unsere Kunden zu erarbeiten.“

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