Verbindungstechnik im hybriden Leichtbau

Wer als Entwicklungsingenieur die automobile Zukunft mitgestalten will, beschäftigt sich in der Regel mit ambitionierten CO2-Emissionszielen, mit elektrifizierten Fahrzeugen und der Erkenntnis: Je weniger Masse beschleunigt werden muss, desto geringer ist der Energieverbrauch. Es geht dabei auch um reduzierte Kosten und Ladezeiten. Und so spielt in der Elektromobilität wirtschaftlicher Leichtbau eine Schlüsselrolle, um zu den Verbrennern aufschließen und Reichweiten von mehr als 500 km ermöglichen zu können. Im Fokus steht dabei eine Komponente, die nicht nur zu den empfindlichsten und teuersten im Elektrofahrzeug zählt, sondern auch das größte Potenzial in puncto Gewichteinsparung besitzt: das Batteriegehäuse, in dem die Zellmodule eingebettet sind.

Die Anforderungen an einen modernen Batteriekasten sind facettenreich. Denn der Leichtbau trifft in diesem Bereich auf Themen wie Crashsicherheit, Gesamtfahrzeugintegration und elektromagnetische Verträglichkeit, aber auch auf Brandschutz, Korrosionsbeständigkeit und Batteriekühlung – bei zugleich effizienter und automatisierter Serienfertigung. Während die meisten Hersteller an diese Aufgabe überwiegend noch konventionell mit Aluminium und Stahl herantreten, erweisen sich die unterschiedlichen Ansätze der Multimaterial-Bauweise als vielversprechend.

Beispielsweise lässt sich ein Aluminiumrahmen sowohl mit glas- als auch carbonfaserverstärkten Kunststoffen für den Ober- und Unterdeckel kombinieren. Möglich ist auch eine Stahlwanne, die mit einem Pressmasse-Deckel aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern punktet; der Deckel wird durch Rippen aus unidirektionalen Carbonfaser-Tapes auf der Innenseite versteift. Die praxistauglichen Ergebnisse der Automobilbranche belegen: Wer leichtere, steifere, komplexere und sogar kostengünstigere Batteriegehäuse bauen will, ist mit einem Mix aus Verbundwerkstoffen und Leichtmetallen sowie dem Prinzip Funktionsintegration gut aufgestellt. Es geht vor allem darum, das richtige Material an der richtigen Stelle zu verwenden. „Eine große Herausforderung dabei ist, die verschiedenen Materialien fest und sicher miteinander zu verbinden“, sagt Alberto Gomez, Anwendungstechniker bei Baier & Michels (B&M), und verweist auf Konzepte aus der Verbindungstechnik und ein neuartiges Verschluss- und Dichtsystem.

Eine Direktverschraubung bietet Kostenvorteile durch den Entfall des Gewindeschneidens und die direkte Verwendung in gespritzten, gebohrten oder gestanzten Löchern. Durch den Umformprozess des Gewindefurchens entstehen außerdem keine störenden Späne. Die B&M-Form LG Vario unterstützt eine Hybridbauweise mit verschiedenen Materialien. Sie eignet sich gleichermaßen für Direktverschraubungen in Leichtmetalle wie auch in thermo- und duroplastische Kunststoffe. Mit der universellen Lösung lassen sich die unterschiedlichen Schrauben innerhalb einer Baugruppe ersetzen, was die Teilevielfalt im Sinne der Effizienz verringert.

Die spezielle Flankengeometrie der Schraube ermöglicht eine sehr hohe Flankenüberdeckung und einen homogenen Materialfluss. Auch in duktilen Werkstoffen erreichen die Auszugs- und Vorspannkräfte hohe Werte. Über die asymmetrische Gewindeform dieses Verbindungselements sagt Anwendungstechniker Gomez: „Im Vergleich zu der herkömmlichen 60-Grad-Steigung in einem metrischen Gewinde ist der Winkel hier größer, was den Materialumformungsprozess optimiert und die Montagezeiten spürbar verkürzt.“

Wer sich für ein Batteriegehäuse mit beispielsweise kunststoffhaltigen Composite- und Sandwichstrukturen entscheidet, kann durch das Hinzufügen eines Flammschutzmittels das Brandverhalten der Komponente wesentlich verbessern. Doch meist macht ein solches Additiv den Kunststoff verhältnismäßig spröde. „Deshalb arbeitet die B&M-Plast R mit einem verrundeten Gewindegrund“, erklärt Gomez. Die Lösung bewährt sich bei Direktverschraubungen von Duroplasten sowie niedrig- und hochverstärkten (GF bis 50 %) Thermoplasten. Denn sie ermöglicht einen optimalen Materialfluss in den Gewindegängen der Schraube. Zudem reduziert der schlanke Flankenwinkel von 25 ° die radialen Spannungen im Tubus und verhindert das Aufplatzen.

Für das prozesssichere und wiederholbare Verbinden thermoplastischer Kunststoffe, die einen Glasfaseranteil von bis zu 50 % mitbringen, bietet sich ein Gewindeeinsatz zum Ultraschalleinbetten an. Die Außenkontur des B&M-Repto U, der auch in einer bleifreien Variante verfügbar ist, wird durch Rändel und Nuten geprägt, die für starke Zug- und Drehmomentbelastungen ausgelegt sind – und sich so für die Ultraschallmethode eignen. Dazu Anwendungstechniker Alberto Gomez: „Bei der Montage wird der Kunststoff durch die entstehende Reibung und den axialen Druck an der Oberfläche aufgeschmolzen und passt sich dadurch der Außenkontur an.“

Eine Aufgabe wie etwa das Befestigen der Stromzufuhr am Batteriegehäuse lässt sich auch mit einem Gewindebolzen umsetzen. Besonders wirkungsvoll agiert der optional bleifreie B&M-Repto BU in Thermo- und Duroplasten mit bis zu 50 % Glasfaseranteil. Das Außengewinde des Bolzens, sei es metrisch oder an den anwendungsspezifischen Bedarf angepasst, kann man für das Montieren von weiteren Bauteilen nutzen.

„Um den Gewindebolzen zu platzieren, kommen neben dem Umspritzen auch die Einbetttechniken Ultraschall und Wärme infrage“, berichtet Gomez und verweist auf die Auswahl der passenden Rändelgeometrie. „Sie ist für den späteren Belastungsfall essentiell.“ Je nach Geometrie- und Materialwahl müsse der Bolzen, der einen Durchmesser von 3 bis 12 mm aufweist, nicht zwingend spanend hergestellt werden. „Wir setzen verstärkt auf ein kostengünstigeres spanloses Verfahren, das die hohe Formgebung des Zerspanens und die Vorteile der Kaltumformung kombiniert. Mit dieser umweltfreundlichen Herstellungsmethode kann das eingesetzte Material effizienter genutzt und die Gewindefestigkeit nochmals erhöht werden.“

Das Verschließen und Abdichten von Kanälen in Elektrobatteriegehäusen, die aus verschiedenen Materialpaarungen bestehen, soll nicht nur zuverlässig, sondern möglichst auch kosten- und gewichtsoptimiert stattfinden. Gleiches gilt für die Kühl- und Kältemittelkreisläufe zur indirekten Batteriekühlung. „Dafür haben wir die Technologie eines Blindniets in die einer geschlossenen Blindnietmutter integriert, das Resultat ist ein einteiliges Dichtelement namens B&M-KL Plug“, erklärt Gomez.

Mit einem Durchmesser von 8 bis 24 mm dichtet der ultraleichte Stöpsel Bohrungen ab und fühlt sich in unterschiedlichsten Temperatur- und Betriebsdruckbereichen wohl. Außerdem funktioniert er als metallischer Dübel, indem er zu Reparaturzwecken eine zu große Bohrung verschließt und zugleich ein kleineres Gewinde bereitstellt. Über die Funktionsweise sagt Gomez: „Er wird erst beim Setzvorgang zweiteilig und besteht dann aus einem konischen Innenteil mit Gewinde und einer Hülse.“ Der Anwendungstechniker spricht von einer „intelligenten Alternative zu Expandern, Verschlussschrauben oder Einpresskugeln. Sehr positive Rückmeldungen für dieses Verschluss- und Dichtsystem gibt es im Übrigen auch von Spritzgusswerkzeug-Produzenten.“

Die jeweils geeignete technische Lösung für eine Applikation finden Anwender im B&M-Port. Das Online-Portal liefert eine Übersicht der Produktpalette. Weltweite Standards und Innovationen in Sachen Kaltumformung und Verbindungstechnik stehen hier Interessenten rund um die Uhr zur Verfügung. Hinzu kommt der Zugriff auf alle Zeichnungen, 3D-Modelle und Einbauempfehlungen.