Welche Vorteile Polyketon für das Thermomanagement von E-Fahrzeugen mit sich bringt

Reichweite und Ladeleistung stehen im Zentrum der Entwicklung von batterieelektrischen Fahrzeugen. Eine effektive und effiziente Temperaturregulierung maximiert die Leistung der Systemkomponenten. Hohe Betriebszeiten, -temperaturen, Drücke und Anforderungen an die Medienbeständigkeit erfordern optimale Kunststofflösungen. Aliphatisches Polyketon eignet sich aufgrund seiner exzellenten Hydrolysebeständigkeit, hohen Kriechbeständigkeit und Schweißbarkeit für komplexe Thermomanagement-Applikationen.
Das Thermomanagement in batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) ist ein wesentlicher Baustein, um die Effizienz der Fahrzeuge zu steigern. Im Vergleich zu der Verbrennerarchitektur nimmt die Komplexität des Thermomanagements zu. Neben den Motoren und dem Innenraum werden in BEV zusätzlich Komponenten der Leistungselektronik und der Batterie in der Temperatur reguliert. Die Abwärme von Wechselrichtern und Motoren ist effizient abzuführen und kann dazu genutzt werden, den Fahrzeuginnenraum zu klimatisieren. Im Zentrum des Thermomanagements steht die Batterie des Fahrzeugs. Bei zu niedrigen und zu hohen Temperaturen ist die Lade- und Entladeleistung eingeschränkt. Gleichzeitig kann die Nutzung der Batterie außerhalb des optimalen Temperaturfensters die Kapazität und damit die Lebensdauer der Batteriezellen verringern. Eine optimale Temperatur liegt in Abhängigkeit der Zellchemie zwischen 15 °C und 35 °C. Abwärme durch Leistungsverluste entsteht insbesondere bei Schnellladevorgängen. Um hohe Laderaten aufrechtzuerhalten, ist eine gleichmäßige und effektive Abfuhr der Wärme über Thermomanagementsysteme notwendig. Hierfür sind aktiv temperierte Systeme unter Verwendung von Temperiermedien notwendig. Kunststoffe sind eine technische und wirtschaftliche Lösung zur Medienführung in Thermomanagementsystemen.

Die Anforderungen an Bauteile für das Thermomanagement batterieelektrischer Fahrzeuge sind vielfältig. Die Komponenten stehen oftmals in Kontakt mit Temperiermedien und sind erhöhten Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Je nach Einsatzort werden dabei Temperaturen bis zu 110 °C und Drücke größer 3 bar erreicht. Im Vergleich mit der Verbrennerarchitektur sinken die Einsatztemperaturen, gleichzeitig vervielfacht sich die geforderte Lebensdauer der Bauteile in BEV. Lade- und zunehmend auch Entladevorgänge, die zusätzlich zur Fahrtzeit anfallen, lassen die Nutzungsdauern um mehr als das 10-fache auf 30.000 Stunden und mehr ansteigen. Aliphatisches Polyketon erfüllt den Anforderungssatz des Thermomanagements vollständig. Der Compoundeur Akro-Plastic hat mit seinen Akrotek PK Compounds eine Produktfamilie entwickelt, die niedrige CO2-Fußabdrücke mit guter Verarbeitbarkeit kombiniert und sich durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnet. Diese bleiben sowohl in Kontakt mit Temperiermedien als auch bei erhöhten Temperaturen erhalten. Bei Auslagerung in Wasser/Glycol (50:50, G12evo) für 1.000 Stunden bei 135 °C zeigt das Material eine hohe Retention der mechanischen Eigenschaften (siehe Bild 1).

Die Biegefestigkeit von PK GF30 (Akrotek PK-VM GF30 schwarz (8655)) beträgt nach Auslagerung mit 149 MPa noch 70 % des Ausgangswerts und hat dieses Niveau bereits nach 500 Stunden erreicht. Im Vergleich fällt die Biegefestigkeit eines hydrolysestabilisierten PA 6.6 GF30 HR bereits nach 500 Stunden durch die Konditionierung und durch den hydrolytischen Abbau unter das Festigkeitsniveau eines PK GF30. Mit einer Retention von 11 % nach 1.000 Stunden erfüllt PA 6.6 GF30 HR noch die Anforderungen, die Verbrenner an den Werkstoff gestellt haben. Bei Biegebelastung einer stumpfen Bindenaht nach Lagerung unter den gleichen Bedingungen zeigt PK GF30 mit über 40 MPa und einer Retention von 45 % des Ausgangsniveaus eine gute Biegefestigkeit. PA 6.6 GF30 HR lässt aufgrund der geringen verbliebenen Festigkeit nach Lagerung keine Prüfung zu. Bei gleichen Lagerungsbedingungen und einer Prüfung im Zugversuch bestätigt sich ebenfalls das hohe Festigkeitsniveau von PK GF30 nach Alterung mit einer Retention von über 80 % (siehe Bild 2).

Die Bindenahtzugfestigkeit von Polyketon verringert sich auch nach Lagerung in Wasser/Glycol (FC G20) bei 110 °C für 1.500 Stunden nur geringfügig. PK GF30 (Akrotek PK-VM GF30 schwarz (8655)) zeigt hierbei bei Zugbelastung gegenüber PA 6.6 GF30 HR eine höhere Retention von 80 % des ursprünglichen Wertes (siehe Bild 3). Dabei ist die absolute Bindenahtfestigkeit von PK GF30 mit PA 6.6 GF30 HR nach Lagerung vergleichbar.

Durch die hohe Nutzungsdauer von BEV bietet Polyketon infolge der inhärenten Hydrolysebeständigkeit eindeutige Vorteile. Bauteile können in Abhängigkeit der Druckverhältnisse dünnwandiger gestaltet werden, ohne Kompromisse bei der Leistungsfähigkeit eingehen zu müssen. Die Aufnahme von Feuchtigkeit ist bei Polyketon gering, erfolgt in kurzen Zeiträumen nach der Verarbeitung und gewährleistet dimensionsstabile Bauteile. Thermomanagementmodule sind komplexe medienführende und -verteilende Bauteile. Als zentrales Element regulieren sie den Durchfluss der Temperierkreise der Systemkomponenten. Eine Vielzahl von Anschlüssen, Leitungen und Ventilen wird auf kleinstem Raum fertigungsgerecht kombiniert, wie in Bild 4 zu sehen ist.

Ein mehrschaliger Aufbau ermöglicht durch Fügeprozesse eine hohe Komplexität und Funktionsintegration der Baugruppen. Polyketon kann unverstärkt und verstärkt mit Vibrations-, Infrarot- und Laserschweißverfahren bei hoher Schweißnahtfestigkeit gefügt werden. Die Schweißnahtfestigkeit ist bei druck- und temperaturbeanspruchten Verteilerplatten und Ventilen maßgeblich für die Leistungsfähigkeit des Bauteils. Für eine gleichbleibend hohe Fügequalität ist, insbesondere vor dem Hintergrund großflächiger Schweißbereiche, ein stabiles Verarbeitungsfenster des Fügeprozesses und der vorgelagerten Prozessschritte erforderlich. Dazu zählen Formteiltoleranzen im Allgemeinen und insbesondere beim Laserdurchstrahlschweißen eine ausreichend hohe, gleichbleibende Lasertransparenz, um die Energie optimal in den Kontaktbereich zwischen lasertransparentem und laserabsorbierendem Material einzubringen. Polyketon kann lasertransparent und schwarz ausgerüstet werden. Dabei ist es notwendig, sowohl die Pigmente als auch die Stabilisierung auf Polyketon abzustimmen.

Polyketon kann bei übermäßiger thermischer Belastung thermo-oxidativ abbauen oder Vernetzungsreaktionen initiieren. Dies ist erkennbar an einem Viskositätsanstieg und wird bei längeren Verweilzeiten durch dunkle Punkte in naturfarbigen Compounds sichtbar. Generell wird für die Verarbeitung von Polyketon eine geringe Verweilzeit unterhalb von 10 Min. empfohlen. Akro-Plastic hat eine neue Stabilisierungstechnologie entwickelt, die Polyketon in der Verarbeitung deutlich verbessert. Bild 5 zeigt den Druckbedarf zur Füllung eines repräsentativen Formteils in Abhängigkeit der Verweilzeit bei fortlaufender Zyklenzahl. Deutlich wird im Vergleich der dargestellten PK GF30, dass mit der „alten“, bislang marktüblichen Stabilisierung Akrotek PK-VM GF30 schwarz (4896) ein Druckmaximum bei 10 Min. erreicht wird, das mit zunehmender Verweilzeit weiter ansteigt und somit das Fenster für eine sichere Prozessführung einschränkt. Die „neue“ prozessoptimierte Stabilisierung Akrotek PK-VM GF30 schwarz (8655) verhindert einen Druckanstieg in einem weiten Verweilzeitbereich, sodass neben einer verbesserten Verarbeitbarkeit auch ein insgesamt geringeres Viskositätsniveau eingestellt wird. Unterstrichen wird der Unterschied in den Verarbeitungseigenschaften im Vergleich zweier lasertransparenter glasfaserverstärkter Polyketoncompounds. In Kombination mit einer lasertransparenten Additivierung zeigte eine Entwicklungstype mit herkömmlicher Stabilisierung keine ausreichende Prozessstabilität. Als Serientype Akrotek PK-VM GF10 LT schwarz (8653) mit optimierter Stabilisierung kann ein lasertransparentes Compound mit geringem Druckbedarf prozesssicher verarbeitet werden. Kurze Zykluszeiten durch schnelle Kristallisationsvorgänge runden das Eigenschaftsprofil von Polyketon ab.

Durch das im Vergleich zu Verbrennern niedrigere Temperaturniveau steht Polyketon ebenfalls in Konkurrenz zu Polyolefinen. Im Vergleich mit PP zeichnet sich Polyketon durch eine erhöhte Kriechbeständigkeit unter Temperatur aus und erfüllt damit eine maßgebliche Anforderung an langzeit-druckbeanspruchte Bauteile.    Akrotek PK vereint Mechanik, Chemikalien- und Hy-drolysebeständigkeit mit guter Verarbeitbarkeit und wird erfolgreich im Thermomanagement von BEV beispielsweise bei mehrkomponentigen verschweißten Verteilerplatten und Ventilen, unter anderem in Kombination von lasertransparenten und laserabsorbierenden Compounds sowie in Fittings eingesetzt. Die optimierte Stabilisierung ermöglicht darüber hinaus auch weitere funktionelle Additivierungen wie Lasermarkierbarkeit und flammgeschützte Compounds, frei von rotem Phosphor und Halogenen. Akrotek PK-VM GF30 FR orange (8537) ergänzt das Anwendungsfeld von Polyketon in BEV als Materiallösung für Hochvoltkomponenten.

Quelle: Akro-Plastic