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Expertenbeitrag

 Richard Kordaß

Richard Kordaß

Entwicklungsingenieur Innovationsmanagement, EDAG Engineering GmbH

Additive Fertigung

Batteriegehäuse mit additiven Knoten

| Autor/ Redakteur: Richard Kordaß, Christian Arved Stürmer, Daniel Schilder / Joscha Riemann

Entwicklungszeiten werden kürzer, die Produktpalette breiter und die Anforderungen höher. Es ist sinnvoll, Konzepte zu entwickeln, welche gut individualisierbar sind und mit geringem Aufwand an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden können.

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Funktionsintegriertes 2nd-Floor-Batteriegehäuse mit additiv gefertigten Knoten
Funktionsintegriertes 2nd-Floor-Batteriegehäuse mit additiv gefertigten Knoten
(Bild: Edag)

Immer mehr Autohersteller produzieren spezielle Komponenten oder Ersatzteile inzwischen mittels additiver Fertigung. Momentan sind Autoteile, welche im Laserdruckverfahren gefertigt werden, noch vergleichsweise klein und haben übersichtliche Stückzahlen, doch deren Bedeutung nimmt stetig zu.

Additive Fertigung im Automobil

Der Einsatz der additiven Fertigung in der Automobilindustrie beschränkt sich derzeit auf wenige konkrete Anwendungsfelder. Der heilige Gral der Anwendung dieses noch vergleichsweise jungen und kostenintensiven Fertigungsverfahrens wurde noch nicht gefunden.

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Das Unternehmen EDAG entwickelte ein funktionsintegriertes Batteriegehäuse, welches mit additiv hergestellten Strukturknoten, kombiniert mit günstigen Strangpressprofilen, den Weg der additiven Fertigung in die serienhafte Automobilproduktion ebnen soll.

Konzept

Insbesondere für Hochleistungsfahrzeuge und solche Derivate von Standardfahrzeugen sind vor dem Hintergrund der Elektromobilität neue Konzepte zu entwickeln. Traktionsbatterien werden durch dauerhaft hohe Leistungsabgabe und -aufnahme womöglich durch Überlastung geschädigt. Second-Floor-Bereiche werden bislang hauptsächlich zur Erweiterung der Kapazität der Hauptbatterie benutzt und haben oft eine komplexe druckgegossene Gehäusestruktur.

Ein neu entwickeltes Konzept vom Entwicklungsdienstleister EDAG hebt das Potential der Second-Floor-Batterie zur Schonung der Hauptbatterie. Dafür werden Li-Caps in ein Gehäuse mit additiv hergestellten Strukturknoten und Strangpressprofilen integriert. Somit ist das Gehäuse individuell an Package-Situationen, Kundenwünsche und Befestigungssituationen anpassbar und bietet optimale Kühlmöglichkeiten für die Batteriemodule.

Iterativer Konstruktionsprozess

Die additiven Knoten wurden in mehreren Iterationsstufen topologieoptimiert, nachkonstruiert und nach UN ECE R100-2 abgesichert. Auch wurden frühzeitig die zu integrierenden Funktionen festgelegt: Verteilung des Kühlmediums in einzelne Kanäle innerhalb des Knotens, Versteifung der Karosserie und Auslegung auf Crashlastfall.

Zudem wurde eine Trapezform gewählt, um die Freiräume für die additiven Knoten so klein wie möglich zu gestalten. Weiterhin ist somit auch die Möglichkeit der weiteren Individualisierung gegeben.

Im Konstruktionsprozess wurden die AM-spezifischen Aufbaurestriktionen berücksichtigt. An schwer zugänglichen Stellen wurden am Bauteil verbleibende Supports ausgeführt. Hierfür nahmen sich die Entwickler auch Vorbilder aus Natur und Technik zu Hilfe zum Beispiel selbsttragende Rippenstrukturen aus Kirchgewölben oder Streben, welche an einen Brustkorb angelehnt sind.

Um größtmöglichen Leichtbau zu betreiben und Nutzen aus der additiven Fertigung zu ziehen, wurden in Bereichen, bei welchen zwar die Struktur aber nicht die Festigkeit gefordert ist, Hohlstrukturen vorgesehen. Diese sind nach dem Prozess mit Pulver gefüllt, zur Entpulverung wurden Kanäle von diesen Hohlräumen in den Trockenbereich der Batterie vorgesehen.

Gewichtsreduktion und Wirtschaftlichkeit

Schlussendlich konnten im Vergleich zur ursprünglichen 12,3 kg schweren Variante am Gehäuse 27% Gewicht eingespart werden. Gegenüber konventionell gefertigten druckgegossenen Batteriegehäusen dieser Größenordnung ist eine wirtschaftliche Fertigung bis zu über 3000 Stück gegeben. Bei der Fertigung über diese Größenordnung hinaus ist der Guss wiederum vorteilhafter, da die Wirtschaftlichkeit bei geringen Stückzahlen aufgrund der hohen Werkzeugkosten für ein Druckgussbauteil nicht gegeben ist.

Sollte die Bauteilgeometrie geändert werden, muss technologisch beurteilt werden, ob das bisherige Werkzeug angepasst werden kann oder ein gänzlich neues Werkzeug notwendig ist.

Danksagung

Das Team der EDAG Engineering GmbH dankt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), welches das zugrundeliegende Projekt „BadgeB“ unter dem Förderkennzeichen 02P15B155 anteilig fördert.

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