Eine individuell gestaltete Werkstückaufnahme garantiert, dass die Membran exakt mittig mit dem Kunststoffgehäuse versiegelt wird. (Bild: Herrmann Ultraschall)
Eines der zentralen Bestandteile des Batterie-Notentgasungssystems von Kaco ist eine feine Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE), die für den notwendigen Druckausgleich sorgt. Beim gemeinsamen Schweißprojekt mit Herrmann Ultraschall ging es zunächst darum, dieses sensible Bauteil mit einem Kunststoffgehäuse zu verbinden. Die Herausforderung:
Die Membran muss trotz ihres geringen Gewichts und einer leichten Wölbung exakt mittig in das Gehäuse eingepasst werden. Da alle Bauteile der Anwendung genau aufeinander abgestimmt sind, kann es bei einer unsauberen Platzierung der Membran zu Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit innerhalb des Systems kommen. Als sicherheitsrelevante Applikation für batteriebetriebene Fahrzeuge muss diese jedoch zu jeder Zeit gewährleistet sein.
Warum es Notentgasungssysteme für Batteriezellen braucht
Batterie-Notentgasungssysteme sorgen im Notfall für eine gezielte Entlüftung der überhitzten Zelle. Das verhindert zwar nicht das Abbrennen der Batteriezellen, verzögert jedoch den Prozess. So haben Passagiere von Elektrofahrzeugen genug Zeit, um sich in Sicherheit bringen zu können. Während viele Notentgasungssysteme nur einmal einsetzbar sind, entwickelte Kaco ein reversibles, das heißt mehrfach verwendbares System. Das hat den Vorteil, dass die Funktionstüchtigkeit vorab geprüft und verifiziert werden kann.
Welche Vorteile Ultraschall gegenüber dem Kleben besitzt
Das Unternehmen hat sich aus verschiedenen Gründen gegen die übliche Verbindung von Membranen mit einem Kunststoffgehäuse mittels Klebstoff entschieden. Es zeigte sich, dass mit diesem Verfahren eine exakte Zentrierung der Membranen aufgrund der Verformung nur schwer umsetzbar gewesen wäre. Zudem hätte das Aushärten des Klebstoffs zu längeren Produktionszeiten geführt und die Chemikalien hätten sich negativ auf die Atmungsfähigkeit der feinen Membran auswirken können. Gegenüber dem Klebeverfahren bot sich Ultraschall als saubere und schnelle Verbindungstechnologie an, mit der sich zusätzlich auch Energie und Ressourcen einsparen ließen. Herrmann konnte innerhalb kürzester Zeit nach der Anfrage in den ersten Grundsatzversuchen zeigen, dass sich die Membran zuverlässig und stoffschlüssig durch Ultraschall mit dem Kunststoffgehäuse verbinden ließ. Aufgrund des Drucks der Sonotrode auf die Membran während des Schweißprozesses stellt deren leichte Wölbung kein Problem dar. Ohne auf zusätzliche Fügemittel angewiesen zu sein, bleiben die ursprünglichen Materialeigenschaften der feinen Membran auch nach der Schweißung erhalten.
Wie der Fügepartner sicher positioniert wird
Um die exakte Zentrierung des Fügepartners in der Applikation sicherzustellen, entwickelte man eine individuelle Haltevorrichtung, die in die Werkstückaufnahme integriert wurde. Sie erleichtert es Benutzern am Handarbeitsplatz, die Membran für den Schweißprozess zu positionieren und verhindert ein Verrutschen des Fügepartners. Für die Schweißversuche wurde die Haltevorrichtung manuell bedient, in der Serienproduktion soll sie automatisiert über Pneumatik gesteuert werden. Durch die Kombination dieser Haltevorrichtung sowie eine Anpassung der Schweißparameter konnte die exakte Versiegelung der Membran gewährleistet werden. In Schnittbildern wurde die Qualität des Schweißergebnisses evaluiert. Dabei bestätigten sich die Ergebnisse der ersten Schweißversuche: Unter dem Mikroskop zeigte sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Membran sowie dem Kunststoffgehäuse, sodass die Anforderung des Anwenders vollständig erfüllt werden konnten. Zusätzlich zur Versiegelung der Membran konnten weitere potenzielle Anwendungsmöglichkeiten der Ultraschalltechnologie aufgezeigt werden, die zu einer schnellen und sicheren Serienproduktion der Applikation beitragen konnten. Gemeinsam wurden weitere Schweißprozesse entwickelt, um etwa den Kunststoffdeckel für das Notentgasungssystem auf das Kunststoffgehäuse mit der versiegelten Membran zu verschweißen. Dabei legte man größten Wert auf eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner. Diese Anforderung konnte bereits in den ersten Schweißversuchen im Labor umgesetzt werden.
Auch Buchsen mit Ultraschall einsenken
Um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten, werden jeweils vier solcher neu entwickelten Notentgasungssysteme pro Batteriekasten befestigt. Für diesen Zweck werden pro System zwei Messingbuchsen in das Kunststoffgehäuse der Applikation eingelassen. Da dieser Prozess ebenfalls mit Ultraschall realisiert werden kann, entschied sich der Hersteller, auch hier auf das zuverlässige Fügeverfahren zu setzen. Beim Einsenken der Messingbuchsen liegt die Sonotrode direkt auf den Buchsen auf und regt diese durch die Vibrationen des Ultraschalls zum Schwingen an. Der Schall wird durch die Buchsen auf den Kunststoff des Gehäuses übertragen, wodurch dieser zu schmelzen beginnt. Diese Schmelze fließt in die Hinterschnitte der Buchsen ein und erzeugt damit eine feste Verbindung. Diese Art des Einsenkens schont das Material und sorgt gleichzeitig für ein Ergebnis mit perfekter Optik.
Quelle: Herrmann Ultraschall
