Aus der Branche

Weg von fossilen Rohstoffen und deren Knappheit – hin zu bisher ungenutzten Rohstoffen aus Pflanzen und Pilzen. Um diesen Wandel zu nachwachsenden Roststoffen zu unterstützen, hat das Fraunhofer UMSICHT im Projekt »FungiFacturing« Pilzwerkstoffe untersucht, die aus Reststoffen wie Stroh oder Holzspäne bestehen. Zum Abschluss des Vorhabens zeigen die Forschenden, dass sie neben einem Schallabsorber auf Pilzbasis auch weitere biobasierte Lösungen für die Bauindustrie entwickelt haben.

Ein Werkstoff aus pflanzlichen Rohstoffen und Pilzmyzel als Double-Porosity-Schallabsorber - so lautete das Ziel des Projektes FungiFacturing von August 2019 bis Juli 2021. »Pilzwerkstoffe stellen eine biobasierte Alternative zu konventionellen Materialien wie Polyesterschäumen oder Verbundstoffen auf Mineralbasis dar«, erklärt Julia Krayer, Biodesignerin am Fraunhofer UMSICHT. »Der Schallabsorber besteht aus Pilzen und pflanzlichen Reststoffen. Sägespäne, Treber aus der Bierproduktion oder Stroh nutzen wir als Nährboden, um die Pilze zu züchten und nutzen zu können.«

Die richtige Rezeptur für Paste und 3D-Druck
Gestartet haben die Forschenden des Fraunhofer UMSICHT das Projekt mit der Entwicklung einer pilzbasierten Paste, die mittels eines 3D-Druckverfahrens in die gewünschte Form gebracht werden konnten. Parallel dazu haben sie die Bewachsbarkeit der Paste untersucht. »Wir haben dabei festgestellt, dass der Pilz erfolgreich auf dem Treber wächst«, erläutert Lina Vieres, Biologin am Fraunhofer UMSICHT. »Allerdings behindert der Treber den Druckvorgang durch die enthaltenen Spelzen. Daher verzichten wir auf ihn als Substratzugabe und haben weitere Rezepturen mit Stroh und Holzspänen getestet.«

Rezeptur und Grundsubstrat haben gleichzeitig auch Auswirkungen auf die akustische Leistung des Materials. Hier stellte sich beispielsweise heraus, dass sich die sehr feinen Fasern für den Druck sehr vorteilhaft zeigen. Für die Akustik sind die Fasern aber eher hinderlich. Ebenso behinderten sie das Pilzwachstum, da dieser auf einen Gasaustausch in dem Material angewiesen ist. Mithilfe einer genauen Abstimmung zwischen Paste, Pilzwachstum, Eigenschaften und 3D-Druck haben die Forschenden eine Lösung gefunden: eine durchwachsbare, druckbare Paste.

Mehr als ein Schallabsorber
Die im Projekt FungiFacturing getesteten Werkstoffe besitzen weiterhin vielversprechende Eigenschaften in Bezug auf Druckfestigkeit, Wärmedämmung und Brandverhalten. »Mit diesen Eigenschaften eigenen sich Pilzwerkstoffe für weit mehr als nur Schallabsorber«, betont Krayer. Die Werkstoffe seien beispielsweise druckstabil und besitzen gute wärmedämmende Eigenschaften, die mit Holzfaserdämmplatten vergleichbar sind. In Brandversuchen sind keine offenen Flammen aufgetreten, und der Pilzwerkstoff lässt sich leicht am Anwendungsort anbringen. Pilzwerkstoffe können also auch in der Praxis leicht angewendet werden z.B. auch als Wärmedämmstoffe.

Weiterentwicklung des FungiFacturing-Ansatzes
Die Projektergebnisse zeigen, dass sich der entwickelte Prozess auf viele verschiedene Anwendungen und Werkstoffe übertragen lässt. Neben 3D-Druck sind weitere Herstellungsprozesse sowohl für pilzbasierte, als auch rein pflanzliche Pastenwerkstoffe denkbar. Das Fraunhofer UMSICHT prüft dazu nun verschiedene Produktionsverfahren und deren Ergebnisse.

Die Qualität von Verbundsystemen aus Cord hochfester Fasern wie Polyester, Aramid oder Polyamid und Matrixmaterialien aus Kautschuk wird maßgeblich bestimmt durch die Haftfähigkeiten der Fasern an der Matrix. Im etablierten Herstellungsprozess werden Haftvermittler aus Resorcin-Formaldehyd-Latex (RFL) zur Verbesserung der Haftfähigkeiten verwendet. Forschende an den DITF Denkendorf zeigen Wege, um das gesundheitsschädliche Formaldehyd durch technisch gleichwertige, aber gesundheitlich unbedenkliche Stoffe zu ersetzen.

In Autoreifen, Förderbändern und Keilriemen sowie in vielen Anwendungen bei der Herstellung technischer Erzeugnisse werden Kautschukmaterialien durch Cord verstärkt. Verwendet werden hochfeste Fasern aus Polyester, Polyamid oder Aramid. Sie sorgen für die notwendige Festigkeit und Steifigkeit des Gesamtverbunds und wirken äußeren Kräften entgegen. Dadurch können Verformungen, Dehnung und Torsion des Materials klein gehalten werden.

Diese Ansprüche an das Faserverbundmaterial können aber nur erfüllt werden, wenn zwischen Fasern und Matrix (aus Kautschuk bzw. Gummi) eine ausreichend hohe Haftfestigkeit besteht. Andernfalls ist mit einer Delamination der Werkstoffverbunde zu rechnen, die in wechselnden Lagen von Gewebe und Kautschuk aufgebaut sind. Materialversagen wäre die Folge.

Die Haftfestigkeit wird durch den Einsatz von Haftvermittlern erhöht. Bewährt haben sich Chemikalien auf der Basis von Formaldehyd-Resorcin-Latex (RFL). Sie werden als sogenannte Dips auf die Fasern aufgebracht und sorgen dafür, dass sich deren Haftung an der Matrix aus Kautschuk deutlich verbessert. RFL ist als Haftvermittler etabliert, hat aber einen bedeutenden Nachteil: Formaldehyd ist seit 2014 von der EU als nachweislich cancerogen und mutagen eingestuft. Die chemische Industrie ist daher auf der dringenden Suche nach gesundheitlich unbedenklichen Alternativen.

Die DITF haben ein neues, formaldehydfreies Beschichtungssystem entwickelt. Es basiert auf dem aus Holz gewinnbaren Stoff Hydroxymethylfurfural (HMF). HMF bildet sich bei der thermischen Zersetzung von Kohlenhydraten. Es kommt in vielen mit Hitze behandelten Lebensmitteln wie Milch, Kaffee oder Fruchtsäften vor und gilt nach derzeitigem wissenschaftlichem Kenntnisstand als gesundheitlich unproblematisch.
Die an den DITF entwickelten HMF-Dips sind auch aus technischer Sicht vielversprechend: Bei Garnen aus Polyamid 6.6 reicht eine einfache Imprägnierung aus, um die gewünschte Haftverbesserung zu erzielen. Garne aus Polyester oder Aramid bedürfen einer zusätzlichen vorhergehenden Plasmabehandlung oder einer Sol-Gel-Ausrüstung, um die notwendige Haftverbesserung zu erreichen. Das Aufbringen des HMF-Dips ist unter den gleichen Bedingungen und mit derselben Technologie möglich, die auch für die RFL-Dips verwendet wird. An dieser Stelle sind also keine zusätzlichen Investitionen nötig, um den Haftvermittler in der Produktion auszutauschen.

Die bereits aufgezeigten Vorteile sollen ausgebaut werden. Der Ersatz des Resorcins in der Dip-Formulierung ist das nächste Forschungsziel. Denn auch Resorcin hat eine humantoxische Wirkung. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern untersucht man derzeit, inwieweit Resorcin durch Lignin ersetzbar ist. Das Besondere an dem verwendeten Lignin ist, dass es aus einjährigen Pflanzen gewonnen wird. Damit ist es, im Gegensatz zum häufig verwendeten Holzlignin, chemisch wesentlich aktiver und bietet mehr Potential für die weitere Verarbeitung zu einem technisch vorteilhaften Haftvermittler.
Beide Ansätze, Chemikalien in Haftvermittlern durch gesundheitlich unbedenkliche Stoffe auszutauschen, tragen durchweg den Gedanken des nachhaltigen Wirtschaftens: Die neuen Haftvermittler aus HMF und Lignin basieren auf natürlichen Rohstoffen. Die Problemlösung innerhalb einer anspruchsvollen, technischen Anwendung unter Einhaltung von Nachhaltigkeitsaspekten spiegelt die Verpflichtungen der Forschung gegenüber den gesellschaftlichen Vorgaben wider. Für die klein- und mittelständische Industrie bieten die Forschungsergebnisse Grundlage für Innovationen und damit einen echten Vorteil im internationalen Wettbewerb.

• Ein Sprungbrett für Unternehmer in der Verbundwerkstoffindustrie

Innerhalb von wenigen Jahren hat sich der JEC Composites Startup Booster zu einer Referenz für das Unternehmertum in der weltweiten Verbundwerkstoffindustrie entwickelt. Unter den Startups, die ihre Bewerbung eingereicht haben, werden jedes Jahr vor der JEC World 20 ausgewählt, die an der führenden Fachmesse für Verbundwerkstoffe teilnehmen, um ihr Projekt vor einer Expertenjury vorzustellen.  

 Dieser Wettbewerb ist eine besondere Gelegenheit, Netzwerke zu knüpfen und einen Blick auf die Zukunft der Verbundwerkstoffindustrie zu werfen. Zwei Pitch-Sessions mit jeweils 10 Präsentationen finden auf der Agora-Bühne (Halle 5) statt, und zwar am Dienstag, den 3. Mai, von 10 bis 11.25 Uhr (Kategorie Produkte und Materialien) und von 16.30 bis 17.55 Uhr (Kategorie Verfahren, Herstellung und Ausrüstung). Die Jury wird drei Gewinner auswählen, und einen Gewinner für die nachhaltigen Aspekte des Projekts. Die Preisverleihung findet am Mittwoch, den 4. Mai, um 14.45 Uhr statt.  Der diesjährige Wettbewerb wird von Airbus und Mercedes-Benz (Hauptinnovationspartner, sowie von Magna Exteriors (Innovationspartner) gesponsert.

Startup Booster wurde 2017 ins Leben gerufen und in drei verschiedenen Regionen (Europa, USA und Asien) er hat bereits über 500 innovative Projekte aus über 50 Ländern, 80 Finalisten und 30 Gewinner hervorgebracht, darunter Arevo, Continuous Composites, ComPair, Fortify und Vartega...
 
Die 20 Finalisten werden in zwei Kategorien unterteilt:  
●    Verfahren, Herstellung und Ausrüstung  
●    Materialien und Produkte
 
Der Jury gehören an:  
 
•    Jelle BLOEMHOF, Head of Manufacturing Technologies of Composite, Airbus
•    Karl-Heinz FUELLER, Head of Future Outside & Materials Daimler  
•    Florent ILLAT, Head of Safran Corporate Ventures, Safran
•    Brian KRULL, Global Director of Innovation, Magna Exteriors
•    Tim VORAGE, Founder and Manager Growth Garage Accelerator , Mitsubishi Chemicals Advanced Materials

Kategorie “Products & Materials”
o Blackleaf (France)
o Dongnam Realize (South Korea)
o FibreCoat (Germany)
o FVMat (Israel)
o Ora Graphene Audio (Canada)
o Pangolin Defense (France)
o Phononic Vibes (Italy)
o Revolve (Germany)
o Smart Resilin (Israel)
o Space Walker (Japan)

Kategorie “Process, Manufacturing & Equipment”
o Antefil Composite Tech (Switzerland)
o ANYBRID (Germany)
o Atomic-6 (USA)
o Carbon-Drive (Germany)
o Continuum (Denmark)
o Fibraworks (Germany)
o Herone (Germany)
o RVmagnetics (Slovakia)
o Touch Sensity (France)
o XARION Laser Acoustics (Austria)

Freudenberg Performance Materials Apparel hat den Bau seines Kompetenzzentrums für Veredelung und Beschichtung von Basismaterial für Bekleidungseinlagen in Sant´Omero planmäßig im Dezember gestartet. Anfang 2023 soll die Weiterverarbeitung des Basismaterials in Italien beginnen. Der Standort Weinheim wird dann als Kompetenzzentrum für die Herstellung des Basismaterials für die Einlagen fungieren.

Im Januar 2021 hatte Freudenberg Performance Materials Apparel Europa (Freudenberg) seine Planungen für die Bildung von zwei Kompetenzzentren angekündigt. Das Unternehmen will sich am Standort Weinheim künftig auf die Herstellung von Basismaterial für Einlagen konzentrieren. Die Veredelung und Beschichtung von Basismaterial soll in Sant´Omero gebündelt werden. Hierzu werden Anlagen von Weinheim nach Sant´Omero verlagert und dort in einem neu errichteten Produktionsgebäude wieder in Betrieb genommen.

Der traditionelle Spatenstich mit hochrangigen Vertretern der lokalen Behörden und aus dem Management von Freudenberg Performance Materials musste aufgrund der hohen Inzidenzen vor Ort entfallen.

Teijin Limited gab heute bekannt, dass seine Carbonfaser-Tochter Renegade Materials Corporation – ein führender US-amerikanischer Anbieter von hochhitzebeständigen duroplastischen Prepregs, Harzen und Klebstoffen für die Luft- und Raumfahrtindustrie – seine Produktionskapazitäten für Prepreg um das etwa 2,5-fache erweitern wird. Die erhöhte Kapazität entspricht der Erweiterungsstrategie von Renegade am Standort Miamisburg, Ohio und ist das Ergebnis einer im Dezember 2019 getätigten Investition von 4 Millionen USD. Die Installationsarbeiten begannen im März 2020 und der Betrieb der neuen Produktionslinien wird im Januar 2022 aufgenommen.

Die hitzebeständigen duroplastischen Prepregs, Harze und Klebstoffe von Renegade Materials genießen bei US-amerikanischen und europäischen Flugzeugherstellern und Zulieferern von Flugzeugtriebwerken großes Vertrauen.

Renegade Materials wird sein hochhitzebeständiges duroplastisches Prepreg auf der Composites and Advanced Materials Expo (CAMX) präsentieren. Die CAMX ist einer der größten und umfassendsten Veranstaltungen für Verbundwerkstoffe und Hochleistungsmaterialien in Nordamerika und findet vom 19. bis 21. Oktober im Dallas Convention Center in Dallas, Texas statt.

DSM, the inventor and manufacturer of Dyneema®, will be exhibiting at one of the leading events for homeland security and safety, Milipol Paris 2021, from October 19-22.

The performance characteristics of Dyneema® make it ideal for a variety of applications, including soft and hard armor ballistics to protect against today’s advanced and emerging threats. In addition, Dyneema® combines next-generation fiber technology and unidirectional engineering to deliver armor solutions with unmatched ballistic stopping power in a lightweight and flexible composite.

By implementing Dyneema®, body armor manufacturers are able to use less material in the development of their ballistic vests, plates and helmets. This leads to weight savings upwards of 30 percent when compared to competitive materials, without impacting ballistic performance. The lightweight construction of armor made with Dyneema® also mitigates injuries associated with the cumulative effects of daily armor use – while improving situational awareness, as well as cognitive and tactical performance.

While decreasing the load on the wearer, Dyneema® is simultaneously able to reduce the impact of material manufacturing on our planet. In line with DSM’s commitment to protect people and the environment they live in, we have developed the first-ever bio-based ultra-high molecular weight polyethylene fiber and unidirectional (UD) material. Bio-based Dyneema® boasts the same exact performance as conventional Dyneema® with a carbon footprint that is 90 percent lower than generic HMPE.

Im Zuge von Klimawandel, Meeresspiegelanstieg und einer steigenden Anzahl von Extremwetterereignissen werden nicht nur neue Strategien und Lösungskonzepte erforderlich, sondern auch alternative, neue Baumaterialien. Nachhaltige ökonomische Lösungen aus geotextilen Containern, sogenannten Tubes und Sandbags, sind einfach und schnell im Wasser oder an Land zu installieren und schützen sicher vor Erosion, sowohl bei Wellen als auch Strömungen. Die SoilTain Küstenschutzlösungen der HUESKER Gruppe können individuell vorkonfektioniert werden und werden in-situ mit lokal vorhandenen Böden (in der Regel Sand) verfüllt.

SoilTain Tubes
SoilTain Tubes werden im Hinblick auf ihre Verwendung aus besonders geprüften geosynthetischen Geweben von bis zu 1.000 g/m² gefertigt, wobei die standardmäßig größten konfektionierten Schläuche eine Länge von bis zu 50 m vorweisen. Sie werden via eines Einfüllstutzen mit einer Suspension aus lokal vorhandenem Sand befüllt. Das sandfarbige, abrasionsresistente und äußerst UV-beständige Gewebe fügt sich optisch gut in das Landschaftsbild ein und wird binnen kürzester Zeit von der maritimen Flora und Fauna besiedelt.

Die projektspezifische Konfektion, in Kombination mit sogenannten Kolkschutzmatten, ermöglicht eine auch gegen Kolke und Untergrunderosion gesicherte Küstenschutzstruktur. Eingesetzt werden die multifunktionalen Schwergewichtselemente unter anderem beim Bau von Wellenbrechern, Buhnen, Dämmen, Deichen oder zur Landgewinnung. Hierbei können sie die gesamte Struktur ersetzen oder fungieren als Bauwerkskern mit anschließender Überbauung durch zum Beispiel Wasserbausteine.

SoilTain Bags Xtreme
SoilTain Bags sind kleinformatigere Sandcontainer für sämtliche Einsatzgebiete im Ufer- und Küstenschutz. Sie werden standardmäßig aus Geotextilien mit Grammaturen von 600 bis 1.000 g/m² und in der Regel mit einem Füllvolumen von 1 m³ gefertigt. Es werden je nach Anwendungsbereich und projektspezifischen Gegebenheiten geprüfte Materialien nach BAW (Bundesanstalt für Wasserbau) wie Vliesstoffe oder Gewebe und Verbundstoffe verwendet.

Neu ist die Entwicklung des SoilTain Xtreme Materials für Sandsäcke. Durch das Flächengewicht von 1.200 bis 1.800 g/m² des sandfarbenen zweilagigen Vliesstoffes weisen die daraus gefertigten SoilTain Bags Xtreme eine erhöhte UV-Stabilität, ein hohes Sandeinlagerungsvermögen und eine maximale Resistenz gegen Abrasion und Vandalismus aus.

Nachhaltigkeit, Recycling sowie E-Mobilität spielen auch bei der Herstellung und Verwendung von Composites eine immer größere Rolle und sind deshalb wichtige Themen in neuen oder bewährten Experten-Arbeitskreisen der AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe.

Die Themen Energiewende, Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit sind Kernthemen des derzeitigen gesellschaftlichen und kulturellen Wandels. Die Nutzung und Schonung natürlicher Ressourcen und der Umgang mit dem Planeten Erde als Ökosystem generell sind zentrale Elemente des politischen Diskurses und halten Einzug in fast alle gesellschaftlichen und industriellen Themenbereiche. Das ökologische Bewusstsein hat in der Bevölkerung in den letzten Jahren massiv zugenommen und dieser Trend verstärkt sich auch weiterhin.

Auch Composites als Konstruktionsmaterialien und werkstoffliche Alternative zu etablierten Materialsystemen müssen sich diesen Themenbereichen stellen. Kunststoffe in all ihrer Vielfalt können, aufgrund ihrer Langlebigkeit, auch zu einem Problem werden. Hier gilt es Konzepte zu entwickeln und im industriellen Maßstab Lösungen umzusetzen. Nicht zuletzt wegen ihrer hohen Relevanz und der Aktualität nehmen entsprechende Themen in neuen, aber auch bewährten Experten-Arbeitskreisen der AVK einen breiten Raum ein.

Composites können durch ihre große Material- und Eigenschaftsvielfalt perfekt an die aktuellen Herausforderungen bei den Themen im Energie-, Automobil- und Bausektor angepasst werden. Ihre besonderen Eigenschaften haben sie vor allem in den Anwendungen bekannt gemacht, bei denen Leichtbau, Langlebigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wartungsarmut gefordert sind. Windkraftanlagen beispielsweise wären ohne Composites nicht denkbar.

Hervorragende Eigenschaften in der Nutzungsphase reichen heute nicht mehr aus: Konstruktionsmaterialien müssen ihre Eignung über den gesamten Lebenszyklus nachweisen. Das Thema Nachhaltigkeit wird in allen Anwendungsbereichen immer wichtiger. Neue AVK-Arbeitskreise zu Themen wie Werkstoffeigenschaften und -anforderungen für die E-Mobilität, Recycling von Composites oder auch zu Thermoplastischen Composites-Rohren zeigen, welch große Dynamik im Composites-Sektor herrscht und was für die Zukunft möglich ist.

Auch die Themen in bewährten Arbeitskreisen werden aktuell ergänzt, wie z. B. SMC-Anwendungen in der Elektro-Mobilität oder die Vorteile von pultrudierten Composites im Infrastrukturbereich. Dabei bietet auch der Leichtbau von Komponenten in den weiter auf Einsparung von Ressourcen bedachten Industriesektoren eine große Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten für Composites. Bereits heute zeigen sich Composites auch im Hinblick auf die Nachhaltigkeit vielfach gut aufgestellt.

Die Teilnahme an den AVK-Expertenarbeitskreisen ist für Mitarbeiter von Mitgliedsunternehmen kostenlos. Mehr zu den Themen rund um die Arbeitskreise auf www.avk-tv.de

• ANDRITZ erhielt von Zhejiang Kingsafe, China, einen weiteren Auftrag für eine Hochgeschwindigkeits-Spunlace-Linie

Der internationale Technologiekonzern ANDRITZ erhielt von Zhejiang Kingsafe Hygiene Materials Technology Co., Ltd. in Hezhou, China, den Auftrag zur Lieferung einer neuen, kompletten neXline spunlace Linie. Die Montage und Inbetriebnahme der Linie sind für das zweite Quartal 2022 geplant.

Diese neXline spunlace eXcelle Linie mit hoher Kapazität wird entweder 100% biologisch abbaubare Fasern oder ein Gemisch aus Polyester und Viskose verarbeiten. Die Linie ist speziell für die Produktion von Vliesstoffen vorgesehen, die in den Bereichen Hygiene und Medizin verwendet werden. Die Endprodukte werden ein Flächengewicht von 30 bis 100 gsm aufweisen; die jährliche Produktionskapazität wird bis zu 18.000 Jahrestonnen betragen.

ANDRITZ wird eine komplette Linie von der Vliesbildung bis zur Trocknung liefern sowie auch zwei Hochgeschwindigkeits-TT-Krempeln, die renommierte Wasserstrahlverfestigungsanlage JetlaceEssentiel sowie einen neXdry Durchströmtrockner mit neXecodry S1-Energiesparsystem integrieren. Diese Kombination wird am Markt zum Maßstab für die Produktion leichter Spunlace-Vliesstoffe, die speziell für den Hygienemarkt vorgesehen sind.

„Wir sind stolz, die sehr verlässlichen und effizienten ANDRITZ-Vliesstofflinien zu betreiben. Sie helfen uns enorm bei der Produktion von Vliesstoffrollenware der Spitzenklasse und bringen uns weltweite Anerkennung als Schlüsselunternehmen unter den Vliesstoffproduzenten“, sagt Kingsafe-Geschäftsführer Huarong Yan.

Zhejiang Kingsafe Hygiene Materials Technology Co., Ltd. wurde 1987 gegründet und zählt mit mehreren in Betrieb befindlichen Spunlace-Linien zu den größten Produzenten Chinas für Spunlace- und Spunbond-Vliesstoffrollenware. Die Endprodukte werden weltweit exportiert und kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, wie beispielsweise in der Medizin, dem Gesundheitswesen, der hochtechnologischen Landwirtschaft sowie bei hochwertigen Konsum- und Haushaltsartikeln.

Die neue Linie ist nun bereits die neunte von ANDRITZ gelieferte Spunlace-Linie und die dritte mit Hochgeschwindigkeits-TT-Krempeln, wodurch die erfolgreiche Langzeitzusammenarbeit zwischen ANDRITZ und Zhejiang Kingsafe bestätigt wird. Der Auftrag beweist auch, dass die von ANDRITZ gelieferte Lösung als Maßstab in der Produktion von hochwertigen Spunlace-Rollenware anerkannt wird und die perfekte Kombination von Verarbeitungsmaschinen für Feuchttücher beinhaltet.

• Batteriedeckel aus SMC – Was Composites für die Elektromobilität leisten können

Die schnelle Entwicklung der Elektromobilität hat die gesamte Werkstoffentwicklung vor neue Herausforderungen gestellt. Besonders die Batterie, ein Herzstück der Elektrofahrzeuge, stellt ausgesprochen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien und Lösungen.

Bei dem Batteriegehäuse (sog. Wanne) stellen metallische Werkstoffe in Profilform (vor allem Aluminium und spezielle Stähle) bezüglich der Crashanforderungen eine etablierte Lösung dar. Bei den Batteriedeckeln stehen verschiedene Lösungen in Wettbewerb. Je nach Konzept und Hersteller werden metallische (Aluminium, bzw. Stahl) sowie nichtmetallische Werkstoffe (Kunststoffe) bzw. deren Kombinationen eingesetzt.

Welche Anforderungen werden an die potenziellen Materialien für Batteriedeckel gestellt, um in Betracht gezogen zu werden?

Dieser Artikel betrachtet vorrangig die sehr guten Verwendungsmöglichkeiten von Sheet Molding Compounds (SMC). Fünf wichtige Merkmale der Funktion eines Batteriedeckels werden nachstehend kommentiert.

1.    Mechanische Eigenschaften

Das Batteriegehäuse besteht hauptsächlich aus Aluminium – bzw. Stahlprofilen, es kann allerdings auch im Aluminiumdruckverfahren hergestellt werden. Das Gehäuse beherbergt die Zellen, die Kühlung, die Verkabelung und schützt die Batterie vor Crash - / Crush – Schäden. Außerdem ist das Gehäuse ein Teil der gesamten Fahrzeugstruktur. Für die mechanischen Anforderungen des Batteriedeckels ist faserverstärkter Kunststoff (SMC) eine passende Lösung, die folgende Vorteile bietet:

•    gute Zug – und Biegefestigkeit erhöhen die Steifigkeit,
•    SMC ermöglicht die Verteilung dieser Eigenschaften über das gesamte Bauteil,
•    Verwendung verschiedenster Fasertypen und Glaskugeln ist möglich,
•    mögliche Fasersysteme, wie uni – und multidirektionale, sowie randomisierte Schnittfasern, erhöhen die mechanischen Eigenschaften,
•    lokale Verstärkungen der Wanddicken unterstützen diese Verbesserungen und
•    stabile und vorhersehbare Eigenschaften im breiten Temperaturbereich von minus 60°C bis 150°C und darüber hinaus, keine Versprödung, kein Schmelzen bzw. Aufweichen sprechen für diesen Werkstoff.

2.    Flammwidrigkeit und Temperaturbeständigkeit

Im Falle eines Batteriebrandes hat der Insassenschutz höchste Priorität, damit die Passagiere rechtzeitig das Fahrzeug verlassen können, das Elektrofahrzeug muss den sog. 'Run away test‘ bestehen. Ein Brand kann entstehen, wenn folgende Faktoren eintreten:

•    elektrische Überladung, Kurzschluss, Fehlfunktion der Steuerelektronik
•    mechanische Einwirkungen, wie z. B. ein Crash des Fahrzeuges.

Im Brandfall können Flammen oder heiße Gase mit Temperaturen von bis zu 1100°C auftreten, die feste Partikel der Zellen beinhalten, also wie ein Sandstrahlgebläse wirken. Dünne Blechdeckel widerstehen hier nur kurzzeitig, weshalb zusätzliche Platten aus Stahl oder Geweben verwendet werden müssen, um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.
SMC bietet hier folgende Vorteile:
•    die Nutzung von unterschiedlichen Füllstoffen ergeben höchste Flammwidrigkeiten,
•    durch die Verwendung von einer Faserverstärkung wird eine Formstabilität und elektrische Isolation garantiert und
•    es gibt kein Spontanversagen aufgrund von Erweichen (Thermoplaste) oder Schmelzen (Metalle).

3.     Teilegeometrie und Werkzeugkosten

Batterien aus dem Bereich der Elektromobilität haben in der Regel große Dimensionen und ein komplexes Design, um die Zellmodule, Elektronik, Verkabelung und Kühlung aufnehmen zu können. Das führt zu reliefartigen Deckelformen, die als Metallversion nur durch einen mehrstufigen Tiefziehprozess hergestellt werden können.
SMC bietet hier folgende Vorteile:
•    Herstellung mit nur einem Werkzeug,
•    Bauteilhöhen von 20mm bis 800 mm sind im gleichen Teil möglich,
•    umlaufender Rand incl. Dichtungsnut ausführbar,
•    Materialschwindung ist einstellbar und kann auch als sogenannte Null-schwinder eingestellt werden,
•    partielle Wandstärkenerhöhungen für die Flammwidrigkeit sind möglich,
•    einstufiger Herstellprozess (Fließpressverfahren).

Bei der Montage gewinnt die Geometriegenauigkeit der SMC – Deckel eine besondere Wichtigkeit, wodurch die Dichtungspressung optimiert und der fast verzugsfreie Deckel einfach montiert werden kann.
Hier ist das SMC den metallischen oder thermoplastischen Lösungen deutlich über-legen.

4.     EMV Abschirmung

Wie alle Kunststoffe, hat SMC - im Gegensatz zu Metallen - keine elektromagnetische Abschirmwirkung. Daher müssen SMC Bauteile mit einem zusätzlichen Bauteil (Blech bzw. Folie) großflächig verbunden werden, was zusätzliche Kosten verursacht. Trotzdem bleibt ein SMC- Deckel mit entsprechender Abschirmungshilfe als Systemlösung absolut funktions- und wettbewerbsfähig.

5.      Emission

Da sich die Batteriegehäuse mit dem Interieur im Karosserieinnenraum befinden, sind Anforderungen an die Emissionseigenschaften (VOC und andere) zu erfüllen. Dies stellt folgende hohen Anforderungen an:

•    die chemische Zusammensetzung des Basisharzes,
•    das sorgfältige Rezeptieren,
•    die für die Aushärtung verantwortlichen Stoffe (Initiatoren, Inhibitoren, usw.),
•    die Sauberkeit in der Halbzeugproduktion und
•    die Kontrolle des Herstellungsprozesses.

All diese Elemente sind entscheidende Voraussetzungen, um die Emissionswerte unter Kontrolle zu bringen und nachhaltig zu garantieren. Dieser Herausforderung stellt sich die SMC Industrie und hat mittlerweile bewiesen, die notwendigen Mittel und Fähigkeiten zu haben, um die geforderten Emissionswerte zu erreichen.

Das Zusammenwirken aller oben genannten Faktoren zeigt eindeutig, dass Batteriedeckel aus SMC eine technische, die Sicherheit verbessernde und wirtschaftliche Alternative zu Bauteilen aus metallischen Werkstoffen darstellen. Es handelt sich also um einen optimalen Werkstoff für die Batterielösungen der E-Mobilität, der bereits bei einigen Fahrzeugen Verwendung in der Serienproduktion gefunden hat!