#3 | 2019
SYN] Magazin
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Starke Paste für mehr Leistung

Wärmeleitmaterialien unterstützen das aktive Thermomanagement von großen Batteriepacks für Elektrofahrzeuge. Sie leiten die Wärme, die beim Laden und Entladen der Zellen entsteht, in entsprechende Kühlstrukturen ab. So kann die Batterie im für sie optimalen Temperaturbereich arbeiten und überhitzt nicht. Das ist wichtig, um die Marktanforderungen für moderne Elektrofahrzeuge in puncto Betriebssicherheit, Leistung, Reichweite und kurze Ladezeiten erfüllen zu können. Im Fügeprozess von Batterien wird ein mit wärmeleitenden Füllstoffen versetztes Material mit hoher Präzision und unter Vermeidung von Lufteinschlüssen in der Batteriewanne aufgetragen. Anschließend werden die Zellmodule auf dem flüssigen Material befestigt. Die Schraubtechnik von Atlas Copco kann das Verhalten der zähflüssigen Leitpaste an der Fügestelle berücksichtigen, das Material gleichmäßig verpressen und einen optimalen Kontakt zwischen Gehäuse und Batteriemodul sicherstellen.

 Optimales Applikationsmuster ermitteln 

Um die thermische Leitfähigkeit sicherzustellen, ist eine präzise Applikation ohne Lufteinschlüsse entscheidend. Das ist eine Herausforderung, weil das flüssige Material häufig in großen Mengen und mit einem hohen Fluss aufgetragen wird. Abhängig vom Fügeprozess, den Materialeigenschaften und der Bauteilgeometrie gibt es verschiedene Applikationsmuster, die das blasenfreie Verpressen der Module auf der Leitpaste begünstigen können – etwa parallele Linien, Mäander oder eine sogenannte Knochen-Applikation. Um das jeweils passende Applikationsmuster zu entwickeln, sind meist umfangreiche Versuche erforderlich. „In unserem Innovationszentrum in Bretten bringen wir Batteriehersteller, Anlagenbauer und Materiallieferanten mit unseren Fügeexperten zusammen. Gemeinsam entwickeln wir in den Testzellen das richtige Verfahren und stimmen Material, Dosierequipment und Prozess auf die spezifischen Anforderungen ab“, erklärt Udo Mößner, Experte für das Batteriefügen aus dem technischen Vertrieb bei Atlas Copco IAS. Parallel arbeitet Atlas Copco in Zusammenarbeit mit einem renommierten Forschungsinstitut derzeit an einer neuen Simulationssoftware, die anhand der Materialeigenschaften und der Verpresskräfte das bestmögliche Applikationsmuster ermittelt – eine Methode, die künftig Zeit und Kosten sparen kann.


 Qualitätsüberwachung im Takt 

Mit einer am Dosierkopf integrierten Kameralösung lassen sich die Breite, die Position und die Durchgängigkeit der Applikation kontinuierlich überwachen. Applikationsfehler wie etwa Unterbrechungen in der Kleberaupe werden sofort erkannt und können umgehend korrigiert werden. Moderne Systeme von Atlas Copco bieten eine Raupenkorrekturfunktion an, mit der Lücken in der Applikation automatisch aufgefüllt werden können. Das hält die Zykluszeit kurz und senkt die Kosten für Nacharbeit und Qualitätssicherung.

 Toleranzen ausgleichen: So viel wie nötig, so wenig wie möglich 

Ein sparsamer Umgang mit dem Wärmeleitmaterial ist nicht nur thermisch effizient, sondern spart auch Kosten. Bei der Dosierung des Materials müssen jedoch Toleranzen in der Passung zwischen dem Batteriefach und dem Zellmodul als Gegenstück berücksichtigt werden. Durch die jeweiligen Toleranzketten der Bauteile entstehen Spalten von 0,5 bis zu 3 mm. Die Hersteller applizieren im Produktionsprozess im Schnitt meist zu viel Material, um sicherzustellen, dass der Spalt auch bei maximalen Toleranzen ausreichend gefüllt ist. Viele Hersteller, Anlagenbauer und Dosierspezialisten arbeiten daher aktuell intensiv daran, das Materialvolumen punktgenau minimiert aufzutragen. Die Experten bei Atlas Copco entwickeln derzeit eine Lösung, bei der Gefache und Gegenstück mit einem 3D-Scanner vermessen werden und die Toleranzen des Spalts für jede Bauteilkombination exakt bestimmt wird. So lässt sich das nötige Materialvolumen, um den Spalt zu füllen, exakt berechnen. Die zielgenaue Anpassung des Volumens erfolgt dabei nicht wie bei bisherigen Lösungen über die Robotergeschwindigkeit, sondern direkt über das Dosiersystem. „Die Anpassung des Volumens über die Klebesteuerung ist sehr viel genauer und im Prozess ist es ein großer Vorteil, wenn nicht mehr in das Roboterprogramm eingegriffen werden muss. Das ermöglicht Materialeinsparungen im Bereich von bis zu 50 Prozent gegenüber aktuell verfügbaren Lösungen“, sagt Udo Mößner.

 Injektion: Module erst fixieren, dann Spalt füllen 

Einige Hersteller entscheiden sich gegen das Verpressen der Batteriemodule in der Wärmeleitpaste, sondern bringen das Material mittels Injektion in den Spalt ein. Der Spalt wird von hinten nach vorne aufgefüllt. Auch das kann Material sparen. Der größere Vorteil liegt jedoch eher darin, dass keine Verpresskräfte auf die empfindlichen Batteriemodule einwirken und das Risiko von Lufteinschlüssen oder einer ungleichmäßigen Verschraubung auf dem weichen Material minimiert wird. Ein Nachteil ist, dass keine visuelle Qualitätsüberwachung stattfinden kann. „Wir haben schon einige Versuche für das Injizieren der Wärmeleitpaste in unseren Innovationszentren durchgeführt. Ob diese Variante in Frage kommt, hängt sehr vom Kundenprozess und dem Material ab. Es muss besonders niederviskos sein. Wird der Spalt zu klein, muss unter Umständen mehr Druck beim Einspritzen aufgebracht werden, was wiederum die Zellen beschädigen kann“, sagt Mößner.


 Mit speziellem Equipment gegen Abrasion gewappnet 

Charakteristisch für alle thermischen Leitmaterialien ist der hohe Anteil an Füllstoffen, um die Wärme leiten zu können. Dabei handelt es sich typischerweise um Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid – abrasive Stoffe, die die inneren Oberflächen der Anlagenkomponenten schneller verschleißen lassen. Wo besonders hohe Fließgeschwindigkeiten anliegen, zum Beispiel an den Ventilsitzen, bieten sich Konstruktionen aus Hartmetall an. Zudem sollten Durchmesser möglichst groß gewählt werden, um die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren. So lässt sich der Verschleiß minimieren. Für die zuverlässige und produktive Verarbeitung von Wärmeleitpasten sind speziell ausgelegte, robuste Pumpen- und Dosiertechnikkomponenten erforderlich. Die SCA-Produktlinie bietet dafür spezielle Komponenten mit maximierter Standzeit.


Erfahren Sie mehr über Fügelösungen von Atlas Copco für die Batteriemontage