gesponsertKunststoff Geschäumter Kunststoff für formstabiles Schwallblech

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Pöppelmann GmbH & Co. KG Kunststoffwerk-Werkzeugbau

Batteriebauteile für E-Fahrzeuge müssen präzise und widerstandsfähig gegenüber Temperaturen und bestimmten Medien sein. Ein namhafter Automobilhersteller vertraute auf das Know-how des Kunststoffspezialisten Pöppelmann bei der Entwicklung eines Schwallblechs.

Damit sich die E-Mobilität als Fortbewegungsmittel der Zukunft etablieren kann, sind zuverlässige und langlebige Batteriekonzepte notwendig. Neben Reichweite und Ladedauer ist auch die Sicherheit erfolgsentscheidend. Die Fahrzeugbatterie muss mechanischen und elektrischen Belastungen zuverlässig standhalten, damit sie im Extremfall nicht zur Gefahr für Mensch und Umwelt wird. Bestimmte Bauteile sind eigens darauf ausgelegt, den Akku zu schützen. So beispielsweise das Schwallblech, das im Falle eines Spannungsüberschlags durch defekte Batteriezellen mit verhindern soll, dass der komplette Akku in Flammen aufgeht.

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Hohe Anforderungen an Batterie-Bauteil

Wie sich dieses Bauteil für Batterien von Hybrid-Fahrzeugen auslegen lässt, zeigt Pöppelmann K-Tech, ein Geschäftsbereich der Pöppelmann Gruppe aus Lohne. Die Division ist auf die Entwicklung und Serienproduktion hochpräziser technischer Kunststoffbauteile spezialisiert, die vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Neben einem umfangreichen Katalogprogramm entwickelt K-Tech in enger Zusammenarbeit mit seinen Kunden auch individuelle Produkte.

Ein namhafter Automobilhersteller hat den Kunststoffspezialisten aus Lohne mit der Entwicklung eines Schwallblechs beauftragt. Das Schwallblech wird zwischen dem Batteriedeckel und den Halterungen für die Batteriezellen platziert. Überhitzen beispielsweise die Akkuzellen aufgrund von Überlastung, Kurzschluss oder Überladung, kommt es zu einem hohen Innendruck innerhalb der Batterie. Definierte Sollbruchstellen, die sogenannten Berstscheiben, öffnen sich und sorgen für eine kontrollierte Druckentlastung. Das austretende Gas entweicht, um benachbarte Zellen und die Leistungselektronik vor unkontrolliert austretenden Chemikalien oder Flammen zu schützen. Das Schwallblech trennt das austretende Gas dabei von der Ölkühlung der Batteriezellen, um einen Brand zu verhindern. Darüber hinaus reduziert es die Geräuschbildung im Fahrzeug, weil es den Freiraum zwischen dem Deckel des Gehäuses und den Batteriezellen ausfüllt.

Jedes an Gewicht eingesparte Gramm erhöht die Reichweite

„Für Bauteile wie das Schwallblech sind Eigenschaften wie Hitze- und Ölbeständigkeit besonders wichtig, denn im Bereich der Hybrid-Batterie herrschen hohe Temperaturen“, betont Jonas Dammann, Projektmanager bei Pöppelmann K-Tech. Es sollte demnach ein Kunststoff gewählt werden, der sich nicht mit Öl vollsaugt: „Denn die Batterie- und Zellenkühlung findet hier – wie in den meisten derartigen Anwendungsfällen – mit Öl statt. Die zur Kühlung verwendeten Öle sind aggressiv und können bei falscher Materialauswahl außerdem Zersetzungserscheinungen verursachen,“ so der Experte.

Ein weiteres Kriterium bei der Produktentwicklung war der Leichtbau: Jedes an Gewicht eingesparte Gramm ist am Ende relevant für eine höhere Reichweite des Fahrzeugs. Auch die präzise Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils aufgrund des begrenzten Bauraums zählte zu den Anforderungen des Auftraggebers.

MuCell – weniger Gewicht, weniger Emissionen, mehr Formstabilität

Die Entwickler haben sich im Falle des Schwallblechs für ein PA6 GF35, also ein Polyamid mit einem 35-prozentigen Glasfaseranteil, entschieden. Der Materialtyp hat unter anderem den Vorteil, dass auf dem fertigen Produkt keine Schlieren entstehen, die beispielsweise kleine Unebenheiten verursachen könnten. „Als Fertigungsverfahren haben wir in diesem Fall das MuCell -Verfahren vorgeschlagen, das neben Gewichtseinsparungen noch weitere Vorteile mit sich bringt“, erzählt der Projektmanager.

Pöppelmann K-Tech nutzt das physikalische Schäumen, so z. B. das MuCell-Verfahren, um besonders leichte, formstabile Bauteile herzustellen. Dabei wird in die Kunststoffschmelze Treibmittel eingebracht, sodass sich mikrozellulare Strukturen bilden. Das reduziert nicht nur das Gewicht des Kunststoff-Bauteils, sondern hat auch funktionelle Vorteile: Die geschäumten Formteile weisen eine verbesserte Dimensionsstabilität auf, denn das injizierte Gas sorgt dafür, dass das Bauteil kaum Schwindungen aufweist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spritzgussteilen ist der Verzug nur äußerst gering.

Verschiedene Tests bei dem Kunststoffspezialisten aus Lohne bestätigten die Wahl des Verfahrens, so Jonas Dammann: „Wir haben das Bauteil versuchsweise auch auf herkömmlichem Weg ohne physikalisches Schäumen gefertigt. Das Ergebnis war ein Produkt, das stärkere Verformungen und Unebenheiten aufwies. In verschiedenen Versuchen haben wir dann den für die Formstabilität des Bauteils perfekten Anteil an zugeführtem Gas ermittelt.“ Das war in diesem Fall besonders wichtig, damit das Schwallblech exakt den vorgegebenen Raum des Batteriegehäuses ausfüllt.

Weniger Material für das Bauteil benötigt

Eine zusätzliche Herausforderung stellten die vorgegebenen Anschraubpunkte dar: Das Bauteil enthält sechs Durchstiche, um es mit dem Deckel des Batteriegehäuses zu verschrauben. Hier müssen die Maße präzise eingehalten werden, erzählt der Projektmanager: „Die Werkzeugauslegung für dieses Bauteil inklusive der Anpassung der Stichmaße war sehr anspruchsvoll, denn selbst im MuCell-Verfahren lassen sich minimale Schwindungen nicht vermeiden. Es ist uns gelungen, alle Maße exakt einzuhalten, sodass sich die fertigen Produkte bei unserem Kunden sehr gut verbauen lassen.“

Die Serienfertigung des Schwallblechs im MuCell-Verfahren bringt einen weiteren wichtigen Effekt mit sich: Durch das in die Kunststoffschmelze eingebrachte Gas wird insgesamt weniger Material für das Bauteil benötigt. Angesichts des in großen Mengen hergestellten Produkts rechnet sich dies auch im Hinblick auf mehr Ressourcenschonung und Klimaschutz, denn es reduziert den Ausstoß von Treibhausgasemissionen entlang der gesamten Herstellungskette.

„Unser Kunde ist 2020 mit dieser Entwicklungsaufgabe an uns herangetreten. In enger Abstimmung haben wir das Bauteil immer weiter optimiert, sodass das Schwallblech Anfang 2023 in Serie gehen konnte. Wir freuen uns, dass wir uns mit diesem Projekt erneut als zuverlässiger Entwicklungspartner der Automobilindustrie bewähren konnten“, meint Jonas Dammann.

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