Wie lassen sich Leichtbau, Funktionsintegration und Thermomanagement in E-Fahrzeugen effizient verbinden? Im Projekt InThElekt hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) gemeinsam mit Partnern hierfür neue Lösungen entwickelt: thermoplastische Composite-Sandwich-Strukturen mit integrierbaren Elektronikkomponenten, datenbasierter Qualitätssicherung sowie neuen Material- und Entwärmungskonzepten.
Der Ansatz des Projekts „InThElekt – Integrale Thermoplast-Sandwich-Struktur-Bauteile mit adaptierten Elektroniken für E-Fahrzeuge“ besteht darin, herkömmliche metallische Fahrzeugstrukturen in Elektroautos durch Kunststoffbauteile in neuartiger Composite-Sandwich-Technologie mit integrierten Elektronikkomponenten zu ersetzen. Dadurch kann das Fahrzeuggewicht reduziert, der Energieverbrauch verringert und die Reichweite erhöht werden. Eine große Herausforderung dabei ist das Abführen der durch die Elektronikkomponenten erzeugten Wärme. Denn Kunststoffstrukturen haben üblicherweise nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Die Verbundpartner ElringKlinger, EDAG Engineering, SimpaTec, Symate, NetCo Professional Services, Berliner Nanotest und Design, Fraunhofer IMWS und die Technische Universität Chemnitz haben deshalb Lösungen mit neuartigen Elektronik-Vergussmaterialien, Thermomanagement und Schnittstellenkonzepten entwickelt. Als assoziierte Partner wirkten die Volkswagen, Hübers Verfahrenstechnik Maschinenbau und Engel Austria mit.
Entwicklung von Composite-Sandwich-Leichtbaustrukturen
Im Mittelpunkt der Aktivitäten am Fraunhofer IMWS stand die Entwicklung von 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 konnten wir zeigen, dass sich Leichtbau, Funktionsintegration sowie fertigungs- und werkstoffgerechtes Design in thermoplastischen Sandwichstrukturen wirkungsvoll zusammenführen lassen. Wir haben am Beispiel eines Leichtbau-Montageträgers erfolgreich die innovative Technologie, elektrische Funktionsintegration sowie Gewichtsersparnis gegenüber der vorherigen Stahlbauweise demonstrieren können, sagt Dr.-Ing. Matthias Zscheyge, der am Fraunhofer IMWS das Teilvorhaben „Erforschung neuartiger Thermoplast-Sandwich-Technologien sowie innovativer Gehäusematerialien und Entwärmungskonzepte zur Integration von automotiven Elektronikkomponenten“ geleitet hat.
Vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen
Zu den zentralen Herausforderungen gehörte es, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Material, Prozess und Bauteilgeometrie beherrschbar zu machen. Im Detail wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Materialsysteme, Schäumverfahren, Expansionsgrade und Prozessparameter wie Werkzeugtemperaturen und Haltezeiten auf die lokale Schaumstruktur und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften des Sandwichverbundes auswirken. Parallel dazu mussten geeignete Schnittstellen zwischen Struktur- und Elektronikkomponenten sowie Thermomanagementkonzepte entwickelt werden.
In umfangreichen Kampagnen wurden verschiedene Versuchs- und Demonstratorstrukturen konzipiert, werkzeugtechnisch umgesetzt und prozesstechnisch untersucht. Beispielsweise wurde 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.
Dabei wurden die rheologischen Eigenschaften der ausgewählten Spritzgusscompounds und das Verarbeitungsverhalten der thermoplastischen Tape-Deckschichten in Abhängigkeit der Prozessparameter ebenso umfassend charakterisiert wie die resultierenden mechanischen Eigenschaften der Sandwichstrukturen und Grenzschichten. Zerstörungsfreie Prüfmethoden wie Röntgen-Computertomographie und Ultraschall kamen zusätzlich zum Einsatz, um Porosität, Zellverteilung, Deckschichtaufbau und lokale Strukturqualität detailliert zu analysieren. Mechanische Prüfungen sowie simulationsgestützte Auslegungsansätze ermöglichten darüber hinaus eine gezielte Bewertung des Strukturverhaltens.
Untersuchung neuartiger anorganischer Vergussmassen
Für die Elektronikintegration wurden neuartige anorganische Vergussmassen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Zuverlässigkeit untersucht. Dazu wurden 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 wurden Zuverlässigkeitsrisiken und Alterungsmechanismen für Elektronikkomponenten mit neuartigen Vergussmaterialien bewertet. Dazu wurden hochaufgelöste Analysen zur Mikrostrukturcharakterisierung (Ionenstrahltechniken, SEM, EDX) sowie gezielte Temperaturwechselbelastungen, Tests des Oberflächen-Isolationswiderstands (SIR-Test), Temperaturschocktests und passive Feuchte-Wärme-Tests durchgeführt, um die ablaufenden Materialreaktionen nachvollziehen und Degradationsmechanismen aufklären zu können.
Datenbasierte Qualitätssicherung in der Fertigung
Flankiert wurde dies durch Konzepte für integrierte Datenerfassung und datenbasierte Qualitätssicherung, wofür Parameter beispielsweise aus Spritzgussmaschine, Infrarotofen und Robotergreifsystem kombiniert und für spezifische Benutzerrollen (zum Beispiel Einrichter, Spritzgießer, Projektleiter) vollautomatisch verfügbar gemacht werden, was besonders tiefe Einblicke in die Prozess-Eigenschafts-Beziehungen erlaubt.
Zentrale Grundlagen für industrielle Anwendungen
„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“, sagt Sandy Klengel, die ebenfalls das Teilvorhaben am Fraunhofer IMWS leitet.
Die Projektergebnisse eröffnen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere für Strukturbauteile im Automobil mit integrierten Elektronik- und Thermomanagementfunktionen. Damit liefert „InThElekt“ wichtige Impulse für die nächste Generation ressourceneffizienter, leistungsfähiger und industriell umsetzbarer Fahrzeugkomponenten, insbesondere im Bereich E-Mobilität.
