E-Mobilitätsratgeber

Spritzguss für die E-Mobilität

Dank unserer umfassenden Designkompetenzen wurde Rosti herausgefordert, komplexe Werkzeuge und In-Mould-Lösungen für die Serienproduktion im wachsenden E-Mobilitätssektor zu entwickeln.

Spritzgießen bietet in dieser Branche erhebliche Vorteile und findet Anwendung bei E-Bikes, Scootern, Fahrzeugen des öffentlichen Nahverkehrs und Autos. Es ist ein wiederholbarer, kosteneffizienter, leichter und schneller Prozess, dessen Produktion sich einfach hoch- oder herunterskalieren lässt. Ideale Eigenschaften, wenn es um zuverlässige Qualität bei der Massenproduktion geht.

Der moderne Batteriehalter

Der moderne Batteriehalter ist zu einem entscheidenden Element für ein effektives Thermomanagement in Elektrofahrzeugen geworden. Hersteller stehen vor der Herausforderung, mehrere Batterien kühl zu halten, ohne auf eine forcierte Luftkühlung zurückzugreifen. Dies hat zur Implementierung einer speziellen Kanalstruktur innerhalb des Batteriehalters geführt, die es ermöglicht, Kühlmittel durch oder um die Batteriezellen zu leiten. Die gemeinsam mit Rosti entwickelten Halter zeichnen sich durch eine Kanalstruktur aus, die auch temporäre Kühlung zulässt.

Rosti arbeitet mit OEM-Kunden zusammen, um in diesem Bereich Komplettlösungen anzubieten. Mit unserer eigenen, hochmodernen Moldflow-Simulationssoftware können wir unsere Kunden dabei unterstützen, Ideen vom Konzept zur Realität zu bringen. Um den zukünftigen Bedarf des E-Fahrzeugmarktes zu decken, werden eine halbe Milliarde Batteriehalter benötigt. Bei Rosti sind wir sehr stolz darauf, vorneweg zu gehen.

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Warum Spritzguss die perfekte Lösung für die Serienfertigung in der E-Mobilität ist

Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die rasante Entwicklung der E-Mobilität vorantreiben – nicht zuletzt staatliche Vorgaben und Umwelteinflüsse. Zudem wird der globale Markt für kommerzielle Elektrofahrzeuge voraussichtlich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 39,9 % wachsen – von 125.212 Einheiten im Jahr 2017 auf 1.831.865 Einheiten bis 2025. Forschung und Entwicklung der E-Mobilität schreiten daher in beispiellosem Tempo voran.

Die herkömmliche Technologie des Verbrennungsmotors zur Fahrzeugantrieb verliert an Bedeutung, während heutige OEMs neue Plattformen im Bereich der leichten, mittleren und schweren E-Mobilität entwickeln. Diese Plattformen sollen ähnliche Leistungswerte wie ihre traditionellen Vorgänger erreichen. Allerdings ist dies nicht die einzige Herausforderung; ebenso anspruchsvoll ist es, den Sprung von der heutigen Prototypenfertigung in kleinen Stückzahlen mit neuen Technologien zur Massenproduktion von morgen zu ermöglichen.

Rosti ist bereits im E-Mobilitäts- und Batteriemarkt aktiv und arbeitet mit einigen der weltweit führenden OEMs zusammen, um mit bewährten Fertigungsmethoden die aktuellen Produktionsherausforderungen zu meistern. Eine dieser Herausforderungen betrifft die Batteriehalter, die auf E-Mobilitätsplattformen eingesetzt werden. Die Batterietechnologie ist der Schlüssel, um Fahrzeuge länger betreiben zu können, und der alles andere als gewöhnliche Batteriehalter spielt dabei eine große Rolle. In diesem Artikel beleuchtet Tony Austin, Technischer Direktor bei Rosti, die Herausforderungen rund um die Batterietechnologie und erklärt, warum sich OEMs beim Herstellungsprozess für Spritzguss entscheiden sollten.

Die Rolle des Batteriehalters früher und heute

Ein Blick unter die Motorhaube eines herkömmlichen, von einer ICU angetriebenen Fahrzeugs zeigt, dass der Batteriehalter ein eher unscheinbares Objekt ist. Meist aus Metall gefertigt, bestand seine Aufgabe darin, die herkömmliche Blei-Säure-Batterie zu halten und einen gewissen Schutz im Falle eines Aufpralls zu bieten. Doch mit der Weiterentwicklung der E-Mobilität ist die Batterie zum Lebensnerv des Systems geworden.

Sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Reichweite eines Fahrzeugs hängen von der eingesetzten Batterietechnologie ab. Daher müssen Gefahren für die Batterie-Leistung, wie zum Beispiel heiße Klimazonen, ausgeglichen werden. Im Wesentlichen bedeutet eine höhere Umgebungstemperatur eine kürzere Batterielebensdauer bei E-Mobilität: Je heißer die Batterie, desto schneller laufen chemische Reaktionen ab und desto schneller entlädt sie sich.

Unabhängige Tests haben gezeigt, dass sich die Selbstentladerate einer Batterie jedes Mal verdoppelt, wenn die Temperatur um 10 °C steigt. Es ist auch unerlässlich, die Batterien vor Überhitzung zu schützen – ein Extremfall, der sehr schnell zu Schäden führen kann.

Der Batteriehalter des 21. Jahrhunderts

Der moderne Batteriehalter ist zu einem entscheidenden Element beim effektiven Thermomanagement geworden, und OEMs im E-Mobilitätsbereich suchen nach Lösungen, wie sie mehrere Batterien kühl halten können, um die herkömmliche Luftkühlung zu ersetzen. Dies hat zur Einführung einer speziellen Kanalstruktur innerhalb der Komponente geführt, die es ermöglicht, Kühlmittel durch oder um die Zellen zu leiten. Darüber hinaus erlaubt die Kanalstruktur temporäre Kühlung.

Rosti arbeitet mit OEM-Kunden zusammen, um Komplettlösungen in diesem Bereich anzubieten. Die neuesten Batteriehalter-Designs sind häufig sehr komplex, was bedeutet, dass eine Herstellung mit herkömmlichen Verfahren wie CNC-Bearbeitung oder Pressen nicht immer möglich ist. Zudem ist zu beachten, dass 3D-Druck, der als zukünftige Schlüsseltechnologie gilt, nach wie vor Nachteile bei den erforderlichen Investitionskosten hat. Außerdem kann er die hohen Anforderungen an die Massenproduktion nicht erfüllen. Was ist also die Alternative?

Spritzguss für Batteriehalter von Elektrofahrzeugen

Beim Spritzgießverfahren wird das Ausgangsmaterial geschmolzen und unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Das Teil kühlt in der Form ab und wird ausgeworfen, bevor der Prozess von vorn beginnt. Aber ist Spritzgießen wirklich das optimale Fertigungsverfahren für Batteriehalterungen von Elektrofahrzeugen? Rosti wurde schon seit Jahren von vielen OEMs – in unterschiedlichen Märkten – mit der Aufgabe betraut, komplexe Formen mit zahlreichen integrierten Merkmalen zu entwickeln, eine Expertise, die für Batteriehalterungen in E-Mobilitäts-Anwendungen fast sicher gefordert sein wird. Beispielsweise kann Rosti die Kühllaufkanäle als integralen Bestandteil des Formteils gestalten. Mit modernster, firmeninterner Software zur Formfluss-Simulation ist Rosti in der Lage, Ideen vom Konzept bis zur Realität umzusetzen und in einem Schritt ein Teil zu produzieren, das alle Anforderungen einer Batteriehalterung des 21. Jahrhunderts erfüllt.

Doch erneut stellt sich die Frage: Ist Spritzgießen tatsächlich das richtige Fertigungsverfahren für Anwendungen im Bereich der Batteriehalterungen? Eine weitere Perspektive auf dieses Dilemma ist die Überlegung, welche Stückzahlen benötigt werden. Wenn die E-Mobilität ihr prognostiziertes Potenzial bezüglich der Zahl produzierter Einheiten erreicht, dann werden die Fertigungsvolumina sehr hoch ausfallen. Zudem muss berücksichtigt werden, dass eine große Anzahl an Ersatzbatteriepacks – und damit auch Halterungen – erforderlich sein wird, ganz zu schweigen von den für andere Märkte benötigten Stromversorgungen.

Rosti ist der Meinung, dass weder CNC-Bearbeitung noch 3D-Druck diese hohen Stückzahlen bewältigen können; ebenso wenig bieten diese Verfahren die von OEMs geforderten Stückkosten. Stattdessen ist ein wiederholbarer, kosten­effizienter und schneller Prozess gefragt, der strukturelle Stabilität bietet. Genau hier hat das Spritzgießen große Vorteile, insbesondere aufgrund der Möglichkeit, die Produktion entsprechend zu skalieren.

Sicherlich können die anfänglichen Kosten für das Spritzgießen manchmal etwas höher ausfallen, da Werkzeuge benötigt werden, doch die Vorteile in der Konstruktion sowie Skaleneffekte sind zu berücksichtigen. Sobald die Anfangskosten amortisiert sind, ist der Stückpreis im Spritzguss-Verfahren äußerst konkurrenzfähig. Zudem ist das Verfahren äußerst wiederholbar – ein wichtiger Faktor, wenn es darum geht, eine konsistente Markenqualität und die Zuverlässigkeit der Teile in der Großserienproduktion sicherzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Spritzgießen die Anzahl der benötigten Einzelteile reduzieren kann, da sich Zusatzteile wie Halterungen direkt integrieren lassen. Diese Gestaltungsfreiheit bietet offensichtliche Vorteile für die Materialstückliste und verkürzt Montagezeiten in der Produktion.

Bietet das Spritzgießen die richtigen Materialien?

Für diese Anwendung ist es entscheidend, von Beginn des Projekts an den Rohstoffhersteller einzubeziehen. Beispielsweise besteht ein großer Bedarf, das Gewicht von Batteriehaltern zu reduzieren; das Gewicht der Batteriezellen selbst kann nicht gesenkt werden, daher muss der Halter leichter gemacht werden. Spritzgegossene Lösungen bieten zwar eine leichtere Alternative zu herkömmlichen Metallhaltern, doch stellt sich die Frage, ob sie auch die nötige Festigkeit bieten, um die Batterie zu tragen und sie vor äußeren Einflüssen zu schützen. Rosticonsultiert intensiv mit Rohstoffherstellern, um sicherzustellen, dass die richtige Materialzusammensetzung zum Einsatz kommt – eine, die alle Anforderungen von dünnwandiger, aber dennoch stabiler Konstruktion erfüllt. Darüber hinaus entspricht das spezifizierte Material stets dem UL-94VO-Standard für Flammschutz, wodurch Gesetzesvorgaben im Einsatzbereich erfüllt werden und Anwendern Sicherheit geboten wird.