E-Mobilitätsratgeber

Spritzguss für E-Mobilität

Dank unserer umfangreichen Designkompetenz wurde Rosti herausgefordert, komplexe Formen und In-Mould-Features für die Massenfertigung im expandierenden E-Mobility-Sektor zu entwickeln.

Spritzguss bietet erhebliche Vorteile in dieser Branche und findet Anwendung bei E-Bikes, Rollern, öffentlichen Verkehrsmitteln und Autos. Es ist ein wiederholbarer, kostengünstiger, leichter, schneller Prozess, und die Produktion kann problemlos skaliert werden. Ideale Eigenschaften, wenn es darum geht, eine zuverlässige Qualität bei der Großserienproduktion zu gewährleisten.

Der moderne Batteriehalter

Der moderne Batteriehalter ist zu einem wichtigen Element für ein effektives Thermomanagement in Elektrofahrzeugen geworden. Die Hersteller stehen vor der Herausforderung, mehrere Batterien zu kühlen, ohne auf Zwangsluftkühlung angewiesen zu sein. Dies hat zur Implementierung einer speziellen Kanalstruktur innerhalb des Batteriehalters geführt, die es ermöglicht, Kühlflüssigkeit durch oder um die Batteriezellen zu leiten. Die von Rosti mitentwickelten Halter verfügen über eine Kanalstruktur, die auch eine temporäre Kühlung erlaubt.

Rosti arbeitet mit OEM-Kunden zusammen, um in diesem Bereich Komplettlösungen anzubieten. Mit unserer unternehmenseigenen, hochmodernen Moldflow-Simulationssoftware können wir unseren Kunden helfen, Ideen vom Konzept bis zur Realität zu bringen. Um den zukünftigen Bedarf des Elektrofahrzeugmarktes zu decken, werden eine halbe Milliarde Halter benötigt. Bei Rosti sind wir sehr stolz darauf, an der Spitze zu stehen.

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Warum der Spritzguss die perfekte Lösung für die Massenfertigung im Bereich E-Mobility ist

Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die rasante Entwicklung der E-Mobilität vorantreiben, nicht zuletzt staatliche Vorschriften und Umweltauflagen. Darüber hinaus soll der weltweite Markt für elektrische Nutzfahrzeuge mit einer jährlichen Wachstumsrate von 39,9 % wachsen – von 125.212 Einheiten im Jahr 2017 auf 1.831.865 Einheiten bis 2025 – sodass Forschung und Entwicklung in der E-Mobilität in beispiellosem Tempo voranschreiten.

Die traditionelle Verbrennungsmotorentechnik, die Fahrzeuge antreibt, verliert an Bedeutung, und die heutigen OEMs entwickeln neue Plattformen für den Einsatz im leichten, mittleren und schweren E-Mobility-Markt. Diese Plattformen sollen die gleiche Leistungsfähigkeit wie ihre traditionellen Pendants erreichen. Doch das ist nicht die einzige Herausforderung: Ebenso anspruchsvoll ist es, den Sprung von der derzeitigen Prototypenfertigung in Kleinstserie mit neuen Technologien zu den Massenproduktionsanforderungen von morgen zu ermöglichen.

Rosti ist bereits im Bereich E-Mobility/Batterien aktiv und arbeitet mit einigen der weltweit führenden OEMs zusammen, um mit bewährten Produktionstechniken die aktuellen Fertigungsherausforderungen direkt anzugehen. Eine dieser Herausforderungen betrifft die Batteriehalter, die auf E-Mobility-Plattformen eingesetzt werden. Die Batterietechnologie ist entscheidend, damit Fahrzeuge länger betrieben werden können, und der nicht ganz so unscheinbare Batteriehalter spielt dabei eine große Rolle. In diesem Artikel beleuchtet Tony Austin, Technischer Direktor bei Rosti, die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Batterietechnologie und hebt hervor, warum OEMs den Spritzguss als bevorzugtes Fertigungsverfahren in Betracht ziehen sollten.

Die Rolle des Batteriehalters damals und heute

Ein Blick unter die Motorhaube eines herkömmlichen, von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs zeigt, dass der Batteriehalter ein eher unbelebtes Bauteil ist. Üblicherweise aus Metall gefertigt, diente er als Plattform zur Aufnahme der traditionellen Bleisäurebatterie und bot im Falle eines Aufpralls einen gewissen Schutz. Mit der Weiterentwicklung von E-Mobility-Fahrzeugen ist die Batterie jedoch zum Herzstück des Systems geworden.

Sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Reichweite eines Fahrzeugs hängen von der eingesetzten Batterietechnologie ab. Daher müssen Bedrohungen für die Batterieleistung, wie etwa heiße Klimazonen, abgewehrt werden. Im Grunde genommen führt eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu einer verkürzten Lebensdauer der E-Mobility-Batterien: Je heißer die Batterien werden, desto schneller laufen chemische Reaktionen ab und desto schneller entlädt sich die Batterie.

Unabhängige Tests haben gezeigt, dass sich die Selbstentladungsrate einer Batterie jedes Mal verdoppelt, wenn die Temperatur um 10 °C steigt. Es ist außerdem unerlässlich, dass die Batterien vor Überhitzung geschützt werden – dies wäre das schlimmste Szenario, da es zu schnellen Schäden führt.

Der Batteriehalter des 21. Jahrhunderts

Der moderne Batteriehalter ist zu einem entscheidenden Element beim effektiven Thermomanagement geworden, und E-Mobility-OEMs suchen nach Möglichkeiten, wie sie mehrere Batterien kühlen können, um die traditionelle Zwangsluftkühlung zu ersetzen. Dies führte zur Integration einer speziellen Kanalstruktur in das Halterbauteil, die es ermöglicht, Kühlflüssigkeit durch oder um die Zellen zu leiten. Darüber hinaus ermöglicht die Kanalstruktur auch eine temporäre Kühlung.

Rosti arbeitet mit OEM-Kunden zusammen, um in diesem Bereich Komplettlösungen anzubieten. Die neuesten Batteriehalterdesigns sind oft sehr komplex, was bedeutet, dass ein fertiges Bauteil mit herkömmlichen Fertigungsmethoden wie CNC-Bearbeitung oder Pressen nicht immer herstellbar ist. Zudem ist zu beachten, dass 3D-Druck, der als zukünftige Schlüsseltechnologie gilt, noch Nachteile hinsichtlich der erforderlichen Investitionen hat. Außerdem kann er die hohen Anforderungen an die Serienproduktion der Industrie nicht erfüllen. Was ist also die Alternative?

Spritzguss für Batteriehalter in Elektrofahrzeugen

Beim Spritzgießverfahren wird das Ausgangsmaterial geschmolzen und unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Das Bauteil kühlt in der Form ab und wird ausgeworfen, bevor der Prozess von Neuem beginnt. Doch ist das Spritzgießen der optimale Fertigungsprozess für Batterieträger in Elektrofahrzeugen? Rosti wurde von zahlreichen OEMs – in verschiedenen Märkten – immer wieder damit beauftragt, komplexe Formen mit zahlreichen integrierten Merkmalen zu entwickeln, eine Expertise, die mit großer Wahrscheinlichkeit auch für Batterieträger im Bereich E-Mobilität notwendig wäre. Beispielsweise kann Rosti die Kühlkanäle so konstruieren, dass sie ein integraler Bestandteil der Form werden. Mit moderner, unternehmensinterner Mold-Flow-Simulationssoftware ist Rosti in der Lage, Ideen vom Konzept zur Realität werden zu lassen und in einem einzigen Schritt ein Bauteil zu fertigen, das alle Anforderungen eines Batterieträgers des 21. Jahrhunderts erfüllt.

Doch erneut stellt sich die Frage: Ist Spritzgießen wirklich der richtige Fertigungsprozess für Batterieträger? Eine Möglichkeit, dieses Dilemma zu betrachten, ist das Potenzial an benötigten Stückzahlen zu bedenken. Sollte die E-Mobilität ihr prognostiziertes Potenzial in Bezug auf die abgesetzten Einheiten erreichen, werden die Produktionsvolumen tatsächlich enorm hoch sein. Dabei ist auch die große Anzahl an Ersatzbatteriepacks – und somit Trägern – zu berücksichtigen, ganz zu schweigen vom Bedarf an Stromversorgungen in anderen Märkten.

Rosti ist der Ansicht, dass weder CNC-Bearbeitung noch 3D-Druck mit diesen hohen Stückzahlen mithalten können – und sie werden auch nicht die von OEMs geforderten Zielstückkosten erreichen. Stattdessen ist ein wiederholbarer, kosteneffizienter und schneller Prozess mit hoher struktureller Stabilität erforderlich. Genau hier bietet das Spritzgießen erhebliche Vorteile, insbesondere die Möglichkeit, die Produktion nach Bedarf zu skalieren.

Zugegeben, die Anfangsinvestitionen für das Spritzgießen können aufgrund der Werkzeugkosten manchmal etwas höher ausfallen, aber die technischen Vorteile und Skaleneffekte sind entscheidend. Sobald die Anfangskosten amortisiert sind, ist der Stückpreis beim Spritzgießen höchst wettbewerbsfähig. Hinzu kommt, dass der Prozess sehr gut reproduzierbar ist – ein Vorteil, wenn Marken­konsistenz und Zuverlässigkeit der Teile in der Serienproduktion sichergestellt werden sollen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mit dem Spritzgießen die Anzahl benötigter Bauteile reduzieren lässt, da sich z. B. Halterungen direkt integrieren lassen. Diese Gestaltungsfreiheit wirkt sich offensichtlich positiv auf die Stückliste und die Montagezeiten aus.

Bietet das Spritzgießen die richtigen Materialien?

Für diese Anwendung ist es entscheidend, den Rohstoffhersteller von Beginn an in das Projekt einzubeziehen. Beispielsweise gibt es einen enormen Bedarf, das Gewicht bei Batterieträgern zu reduzieren; das Gewicht der Batteriezellen selbst lässt sich nicht verringern, daher muss der Träger leichter werden. Obwohl spritzgegossene Lösungen eine leichtere Alternative zu herkömmlichen Metallträgern bieten, stellt sich die Frage, ob diese Bauteile gleichzeitig die nötige Festigkeit bieten, um die Batterie zu tragen und vor äußeren Einflüssen zu schützen. Röstis intensive Abstimmungen mit Rohstoffherstellern sorgen dafür, dass die richtige Materialzusammensetzung gewählt wird, die alle Anforderungen an dünne und dennoch stabile Wandkonstruktionen erfüllt. Darüber hinaus erfüllt das gewählte Material stets die UL-94VO-Brenn­barkeitsnorm und gewährleistet somit die Einhaltung einschlägiger gesetzlichen Vorgaben im Anwendungsbereich.