Bij Fraunhofer LBF is een kostenefficiënte lichtgewicht batterijbehuizing voor batterij-elektrische voertuigen ontwikkeld. Hiermee is het mogelijk om een gewichtsreductie van 40 procent te realiseren ten opzichte van een aluminium behuizing. Ondanks de toepassing van vezelversterkte kunststof composieten zijn de kosten van de componenten laag door een speciaal ontwikkeld, zeer efficiënt fabricageproces en een spanningsgelijkwaardig constructief ontwerp.

Batterijpakketten voor elektrische voertuigen (EV's) zijn zeer zwaar door de grote hoeveelheid batterijcellen die nodig zijn om de beoogde hoge rijbereiken van meer dan 500 kilometer te halen. De mechanische structuur rond de cellen, zoals celhouders en vooral de behuizing, die momenteel van aluminium of staal is gemaakt, zorgen voor een hoog totaalgewicht van enkele honderden kilo's bovenop de elektrische componenten. Ondanks de vereenvoudiging van de elektrische aandrijflijn in vergelijking met die van voertuigen met een verbrandingsmotor (ICE), kan dus nog steeds een belangrijke toename van het voertuiggewicht worden vastgesteld.

Verschillende autofabrikanten zijn deze uitdaging aangegaan en hebben met succes het gewicht van voertuigen verminderd met behulp van lichtgewicht composietconstructies. De kostenefficiëntie van vezelcomposieten en fabricageprocessen is echter nog steeds een fundamenteel probleem bij de lichtgewichtconstructie voor de automobielindustrie. Nieuwe klassen van materialen op basis van continu vezelversterkte thermoplasten (CFRTP) en nieuwe hybride fabricageprocessen maken echter nieuwe benaderingen mogelijk, vooral met betrekking tot kostenefficiënte lichtgewichtconstructie in elektromobiliteit. "Dankzij de enorme verscheidenheid aan composietconstructies, materialen en fabricagetechnologieën biedt het ontwerpen met vezelversterkte thermoplasten natuurlijk een groot potentieel op het gebied van lichtgewicht constructies", legt dr. Felix Weidmann uit, die bij Fraunhofer LBF de leiding heeft over dit onderzoeksproject. "De oplossingen moeten echter kostenconcurrerend zijn en rekening houden met het kritieke aspect van brandbestendigheid."

Een team van onderzoekers van Fraunhofer LBF heeft zijn expertise op dit gebied toegepast om een lichtgewicht batterijbehuizing te produceren van continu vezelversterkte thermoplasten in een driedimensionaal (3D) sandwichontwerp, met behulp van een innovatief proces dat het spuitgieten van schuim met een hoge efficiëntie combineert met CFRTP.

Klaar in twee minuten

Er wordt gebruik gemaakt van het zogenaamde in-situ CFRTP sandwichproces, waardoor binnen twee minuten, zonder nabewerking, afgewerkte lichtgewicht batterijbehuizingen kunnen worden geproduceerd. Bovendien kunnen functies zoals thermisch isolatievermogen of vlamwerendheid in dezelfde processtap worden geïntegreerd. De structuur van de behuizing bestaat uit twee CFRTP-afdeklagen en een verbindende integrale schuimstructuur ertussen. De deklagen bestaan uit unidirectionele tapes, die eerst worden geweven tot een kruislaag en vervolgens worden geconsolideerd, wat resulteert in het opvallende dambordpatroon. Het laminaat dat het resultaat is van deze processtap wordt vervolgens 3D voorgevormd en aan beide zijden in een speciaal ontwikkelde hybride schuiminjectiematrijs geplaatst. De gecontroleerde injectie van een integraalschuim tussen de laminaten creëert op deze manier de driedimensionale structuur van de behuizing met vezelcomposiet afdeklagen en een schuimkern. De hechting van de CFRTP-afdeklagen en de schuimkern, die van fundamenteel belang is voor de draagkracht van de sandwichconstructie, wordt tijdens het injecteren in situ gerealiseerd.

Het stress-equivalent sandwichontwerp resulteert in de hoogste gewichtsspecifieke mechanische eigenschappen, terwijl tegelijkertijd het materiaalverbruik van de gebruikte vezelcomposietlaminaten wordt gereduceerd, aangezien deze laatste alleen worden toegepast op sterk belaste plaatsen. De lage componentkosten worden dus bereikt door de resulterende reductie in materiaalkosten, in combinatie met de zeer korte cyclustijden van het in-situ CFRTP sandwich proces. De vereiste mechanische eigenschappen werden geverifieerd door eindige-elementensimulaties tijdens de ontwerpfase en werden gevalideerd onder reële omstandigheden op de testbank (ISO 12405-2, 12405-3).