Best Practice: Entwicklung eines Technologiedemonstrators aus LCP-LGF Entwicklung von Bauteilen für den Einsatz in Batteriegehäusen von Elektrofahrzeugen
© IKVIm Rahmen eines bilateralen Entwicklungsprojekts zwischen Sumitomo Chemical Europe S.A./N.V. und dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) wurde eine Demonstratorgeometrie eines Batteriegehäusedeckels für elektrische Fahrzeuge entwickelt. Mit der Neuentwicklung eines langglasfaserverstärkten flüssigkristallinen Polyesters (LCP-LGF) durch Sumitomo Chemical Europe erschließen sich neue Anwendungsmöglichkeiten für LCP. Die inhärente Flammschutzbeständigkeit ohne zusätzliche Flammschutzmittel sowie die hervorragenden Fließ- und Verarbeitungseigenschaften ermöglichen den Einsatz in komplexen, großvolumigen Bauteilen mit hohen Anforderungen an thermische, mechanische und Flammschutzbeständigkeit.
Ziel der Zusammenarbeit war es, die vorteilhaften Eigenschaften des Werkstoffs anhand einer praxisnahen Komponente aus der Elektromobilität zu demonstrieren.
Use-Case Szenarien für die Materialsubstitution im Batteriegehäuse
Zur Demonstration des Eigenschaftsprofils des neuen Werkstoffs entwickelte das IKV in Zusammenarbeit mit Sumitomo Chemical Europe Use-Case-Szenarien für den Einsatz von LCP-LGF in Batteriegehäusen für Personenkraftfahrzeuge. Zunächst wurden die einzelnen Komponenten eines Batteriegehäuses hinsichtlich ihrer Funktionen, Anforderungen und regulatorischen Vorgaben analysiert. Anschließend erfolgte die Untersuchung der Materialsubstitution durch LCP-LGF sowie der Vergleich des Materials mit konkurrierenden Werkstoffen.
Entwicklung eines Demonstrators mit Funktionsintegration
Eine zentrale Aufgabe war die Entwicklung einer Komponente, die mittels Funktionsintegration ein breites Eigenschaftsprofil abdeckt und gleichzeitig den hohen Kostendruck bei Kunststoffkomponenten erfüllt. Die Wahl fiel auf einen Batteriegehäusedeckel mit hoher Funktionsintegration. Das Bauteil erfüllt hohe Anforderungen an Flammschutzbeständigkeit und Steifigkeit und erfordert aufgrund seiner Größe gute Verarbeitungseigenschaften und hohe Abformgenauigkeit. Zusätzliche Funktionselemente wie Kühlmittelzuleitungen und elektrische Leitungen sollten in das Bauteil integriert werden.
Weitere Entwicklungen und Geometrieentwürfe
Im Rahmen eines Folgeprojekts wurden entsprechende Demonstratorgeometrien entwickelt und Methoden zur Dimensionierung für die mechanische Auslegung untersucht. Die Entwicklung erfolgte in Anlehnung an die VDI 2221 zur Entwicklung technischer Produkte in den Phasen Aufgabenklärung, Konzeptionierung und Entwurf.
Final entstanden drei Geometrien:
- Der vollformatige Batteriegehäusedeckel mit verschiedenen Funktionselementen.
- Ein Zellkontaktierungssystem, das elektrische Verbindungselemente zusammenfasst und die Montage erleichtert.
- Ein skalierter Funktionsdemonstrator, der die Funktionselemente der Einzelkomponenten vereint und die Materialeigenschaften des LCP-LGF praxisnah demonstriert. Der handliche Funktionsdemonstrator eignet sich für Firmenbesuche und Kundentests.
Validierung und Methodenentwicklung zur Simulation von Bauteileigenschaften
Die Methodenentwicklung zur numerischen Vorhersage von Bauteileigenschaften und deren Validierung erfolgte an am IKV hergestellten Probekörpern aus LCP-LGF. Die Proben wurden im Zentrum für Kunststoffanalyse und -prüfung (KAP) analysiert. Dabei wurde die Faserorientierungsverteilung mittels μCT-Scans erfasst und das Deformationsverhalten mechanisch geprüft. Auf dieser Grundlage wurden Finite-Elemente-Modelle erstellt und eine Kalibrierungsroutine für mikromechanische Modelle entwickelt.
Parallel wurde die Spritzgießsimulation validiert und die Vorhersage der Faserorientierungsverteilung optimiert. Hierbei identifizierten die Forscher Optimierungsbedarf in der Modellierung des Schmelzeverhaltens von LCP-LGF sowie der Orientierungsmodellierung. Aufgrund des speziellen Viskositätsverhaltens von LCP sind präzisere Viskositätsmodelle notwendig.
Optimierungspotenziale und Simulationsmethoden
Im Zuge der Methodenentwicklung wurden Optimierungspotenziale für bestehende Simulationsmodelle sowie für die Entwicklung des LCP-LGF identifiziert. Besonders der Umgang mit dem speziellen Viskositätsverhalten des flüssigkristallinen LCP erforderte eine detaillierte Betrachtung und Anpassung der Viskositätsmodelle.
Fazit und Ausblick
Im gemeinsamen Projekt wurden die Ziele zur Entwicklung eines Technologiedemonstrators – in Form eines Batteriegehäusedeckels und vergleichbarer Bauteile – erfolgreich erreicht. Für die anschließende Phase IV nach VDI 2221, die Geometrieausarbeitung zum Bauteil, wurden simulative Methoden entwickelt, um die fertigungsbedingte lokale Anisotropie aufgrund der Faserorientierungsverteilung zu berücksichtigen.
Darüber hinaus konnten Optimierungspotenziale für bestehende Simulationsmodelle und Entwicklungsfortschritte des LCP-LGF identifiziert und diskutiert werden.
Dr.-Ing. Hakan Çelik
Leiter der Abteilung Strukturberechnung und Werkstofftechnik
Digitale Produktentwicklung
Dieses Projekt wurde von Sumitomo Chemical Co. Ltd. initiiert und gesponsert und in Zusammenarbeit mit Sumitomo Chemical Europe S.A./N.V. durchgeführt.
High-Performance Engineering Plastics Department
Advanced Materials Division
Sumitomo Chemical Co., Ltd.
Phone: +81-3-5201-0266
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