Aus der Branche

Die Zukunft der E-Mobilität wird insbesondere von sicheren Batteriegehäusen mitbestimmt. Wenn Batterien für Elektrofahrzeuge immer leistungsfähiger werden, spielt die höhere volumetrische Energiedichte eine entscheidende Rolle. Soll in weniger Bauraum mehr Energie gespeichert werden, sind neue Material- und Designlösungen gefragt. Und die Entwicklung passender Gehäuse aus hochsicheren und hochstabilen Leichtbaumaterialien. Am Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) startet im Oktober 2022 ein Projekt zu Cell-to-Pack-Batteriegehäusen für batterieelektrische Fahrzeuge.

Der Aufbau von Batteriegehäusen ist entscheidend für die Sicherheit, Kapazität, Leistung und Wirtschaftlichkeit. Im Cell-to-Pack-Projekt wird die Entwicklung von Konzepten für Bauteile und deren Produktion auf Basis verschiedener Materialien und Konstruktionstechniken vorangetrieben. Die Konzepte werden in Bezug auf Leistung, Gewicht und Produktionskosten verglichen, so dass für OEM, Produzenten und deren Zulieferer in der gesamten Wertschöpfungskette von Batteriefahrzeugen neues Know-how entsteht. Unternehmen sind eingeladen, sich an diesem neuen, branchenübergreifenden Projekt zu beteiligen, um Batteriegehäusekonzepte für die vielversprechende und zukunftssichere Cell-to-Pack-Technologie zu entwickeln.

Basis für das Projekt ist die Leichtbau-Kompetenz der AZL-Experten, die sie bereits in früheren Projekten für Multimateriallösungen bei modul-basierten Batteriegehäusen gezeigt haben. Gemeinsam mit 46 Industriepartnern, darunter unter anderem Audi, Asahi Kasei, Covestro, DSM, EconCore, Faurecia, Hutchinson, Johns Manville, Magna, Marelli and Teijin, wurden 20 verschiedene Multimaterialkonzepte hinsichtlich Gewicht und Kosten optimiert und mit einem Referenzbauteil aus Aluminium verglichen. Alle Produktionsschritte wurden im Detail modelliert, um zuverlässige Kostenschätzungen für jede Variante zu erhalten. Es konnten je nach Konzept 20 % Gewichts- bzw. 36 % Kosteneinsparpotenzial durch den Einsatz von Multimaterial-Verbundwerkstoffen im Vergleich zur etablierten Aluminiumreferenz identifiziert werden.

Es wird erwartet, dass sich das Aufbaukonzept der Batteriegehäuse in Richtung eines effizienteren Layouts entwickeln wird. Hierbei werden die Zellen nicht mehr in zusätzlichen Arbeitsschritten in Modulen zusammengefasst, sondern direkt in das Batteriegehäuse integriert. Durch die Einsparung von Batteriemodulen und verbesserter, gewichtssparender Raumausnutzung wird eine höhere Packungsdichte ermöglicht, eine geringere Bauhöhe erzielt und Kosten eingespart. Zusätzlich werden verschiedene Ausbaustufen der konstruktiven Integration des Batteriegehäuses in die Karosseriestruktur erwartet. Diese neuen Designs bringen spezifische Herausforderungen, unter anderem zur Gewährleistung des Schutzes der Batteriezellen vor Beschädigung durch äußere Einflüsse sowie des Brandschutzes mit sich. Darüber hinaus können unterschiedliche Optionen für Recycling und Reparatur die künftigen Konstruktionen erheblich beeinflussen.

Wie die verschiedenen Material- und Strukturoptionen für zukünftige Generationen von Batteriegehäuse für die Cell-to-Pack Technologie aussehen könnten und wie sie in Bezug auf Kosten und Umweltauswirkungen zu vergleichen sind, wird in dem neuen AZL-Projekt untersucht. Neben den Material- und Produktionskonzepten aus der Konzeptstudie für modulbasierte Batteriegehäuse werden auch Ergebnisse eines aktuell laufenden Benchmarkings von verschiedenen Materialien für die Impact-Schutzplatte sowie eine neue Methode zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften während eines Brandtest eingebracht.

Das Projekt startet am 27. Oktober 2022 mit einem Kick-Off Treffen des Konsortiums, interessierte Firmen können sich bis dahin noch für die Teilnahme bewerben.

Kai-Chieh Kuo, Doktorand am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen, wurde für seine Masterarbeit mit dem Titel „Modifikation des Schlauchwebprozesses feiner Garne zur Herstellung von gewebten ultra-low profile Stentgrafts“ mit dem Förderpreis beste Masterarbeit des Deutschen Textilmaschinenbaues 2021 ausgezeichnet. Der Preis ist mit 3.500€ dotiert. Peter D. Dornier, Vorstandsvorsitzender der Walter Reiners-Stiftung, hat den Preis anlässlich der ADD International Textile Conference am 9. November 2021 virtuell überreicht.

Die minimalinvasive endovaskuläre Aortenreparatur (EVAR) mit textilen Stentgraftsystemen ist heutzutage ein klinisch etabliertes Therapieverfahren zur Behandlung von abdominalen Aortenaneurysmen (AAA) – krankhaften Aussackungen der Hauptschlagader. Aufgrund zu großer Profilstärken der gefalteten Stentgraftsysteme besteht aktuell bei der Implantation ein hohes Risiko, verengte oder stark angulierte Zugangsgefäße von innen zu verletzen. Abhilfe sollen Stentgraftsysteme mit kleinerer Profilstärke schaffen, die durch geringere Biegesteifigkeiten komplizierte Zugangswege überwinden sollen. Ein möglicher Lösungsansatz zur Reduktion der Systemprofile ist der Einsatz dünnwandiger Schlauchgewebe aus hochfeinen Multifilamentgarnen (≤20 dtex) als Graftmaterial.

Bislang ist es textiltechnisch nicht möglich, die feinen Garne mit der geforderten hohen Fadendichte (>200 Fäden/cm) und der verfügbaren Webtechnik zu verarbeiten, um eine ausreichende Dichtigkeit gegenüber Blut zu gewährleisten. In seiner Masterarbeit hat Kai-Chieh Kuo durch geeignete Modifikationen einer Schützenbandwebmaschine sowie Anpassungen in der Webereivorbereitung erstmals eine hochdichte Schlauchwebverarbeitung von Feinstfilamentgarnen ermöglicht. Dabei entwickelte er unter anderem eine neuartige innovative Riettechnologie, die die Kettfadenreibung im Fachwechsel reduziert und so die Prozessstabilität des dichten Schlauchwebprozesses feiner Garne verbessert.

Durch die Prozessmodifikation wurden daraufhin hochdichte, dünnwandige Schlauchgewebe hergestellt, die sich zur Herstellung eines Stentgrafts eignen. Das Potential dieser Schlauchgewebe steckt vor allem im höchst dünnwandigen Gewebeprofil, das gleichzeitig gut gegenüber Blut abdichtet. Durch den Einsatz dieser neuartigen Schlauchgewebe als Graftmaterial von Stentgrafts kann das Systemprofil des gefalteten Stentgraftsystems verringert werden, ohne Einbußen in der Blutdichtigkeit des Implantats eingehen zu müssen.

Die von Herrn Kuo entwickelte Technologie kann nicht nur für Stentgraftsysteme verwendet werden, sondern bietet große Einsatzmöglichkeiten in sämtlichen weiteren endovaskulären Implantaten wie bspw. Transkatheterherzklappen, gecoverte Stents und kleinlumigen Gefäßprothesen.