„Schwarzes Gold“ Carbonfaser macht Autos „leicht“

Der Batteriekasten nimmt in der Struktur von Fahrzeugen mit neuer Energie eine wichtige Position ein. Obwohl sie effektiv Energie und Leistung für Fahrzeuge mit neuer Energie liefern, ist die Ladung einer einzelnen Batterie relativ gering und die benötigte Anzahl groß. Dadurch wird die Batteriekastenbaugruppe zu schwer, was sich wiederum auf die Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs und die erreichbare Höchstgeschwindigkeit auswirkt.

Derzeit beträgt das Gesamtgewicht des Batteriekastens selbst 30 bis 35 % des Gesamtgewichts des Autos. Da das Gesamtgewicht des Batteriekastens selbst einen großen Teil der Batterieeffizienz beansprucht, hat die Reduzierung des Gewichts des Batteriekastens bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Energie höchste Priorität.

Denn die Batteriekästen von Elektrofahrzeugen bestehen seit jeher aus Stahlmaterialien mit hervorragender Ermüdungsbeständigkeit und die Technologie für die Anwendungsentwicklung ist immer ausgereifter geworden. Experten haben Festigkeitsanalysen an Autobatteriekästen unter verschiedenen Arbeitsbedingungen durchgeführt und das Design und die Verbesserung lokaler Teile der Batteriekästen optimiert, wodurch die Spannungskonzentration auf die lokale Struktur verbessert und die strukturelle Festigkeit erhöht wurde.

Obwohl Experten die Struktur der Batteriekästen von Elektrofahrzeugen optimiert haben, können sie die Tatsache nicht ändern, dass der Batteriekasten selbst zu schwer ist. Batteriekästen aus Metall sind nicht nur schwer, was die Energienutzungsrate des Fahrzeugs beeinträchtigt, sondern weisen im Vergleich zu Verbundwerkstoffen wie Kohlefaser auch eine geringere Festigkeit und Abdichtung auf, was zu einem erheblichen Nachteil geworden ist.

In den letzten Jahren wurden Kohlefaserverbundwerkstoffe aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen spezifischen Festigkeit, ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und ihres integrierten Designs in der Automobilindustrie häufig eingesetzt. Norn Composites hat schon sehr früh damit begonnen, Kohlefaser in Automobilen einzusetzen. Nach kontinuierlicher Forschung wurde festgestellt, dass das Problem übergewichtiger Batteriekästen in Elektrofahrzeugen durch die Verwendung von Kohlefaser gelöst werden könnte.

Seitdem BMW bei seinen Modellen der i3- und i8-Reihe in großem Umfang Kohlefasermaterialien verwendet, sind Kohlefasermaterialien zu einer wichtigen Richtung bei der Leichtbauweise von Automobilen geworden. Zu den bestehenden Anwendungsformen zählen vor allem die folgenden Kategorien für die Anwendung bei Automobilen: Strukturteile, Karosserie- und Karosserieteile, Teile unter der Motorhaube, dekorative Innenteile usw. In der Literatur gibt es einige Forschungs- und Designmethoden zur Gewichtsreduzierung von Akkupacks, aber echte Anwendungen im großen Maßstab sind bisher nicht aufgetreten. Neben der Technologie sind die Kosten ein wichtiger Grund.

1. Grundparameter von Kohlefasermaterialien

Die Dichte von Kohlefaserverbundwerkstoffen überschreitet im Allgemeinen nicht 2 g/cm3, während die Dichte von Stahl 7,8 g/cm3 beträgt. Die wichtigsten Leistungsparameter von Kohlefaserverbundwerkstoffen, hochfestem Stahl, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Glasfaserverbundwerkstoffen werden wie in der folgenden Tabelle dargestellt verglichen.

Im Jahr 2010 lagen die Kosten für Kohlefaser bei über 30 US-Dollar pro kg, während die Kosten für kohlenstoffarmen Stahl weniger als 1 US-Dollar pro kg und die Kosten für Aluminiumlegierungen bei 2,4 bis 2,6 US-Dollar pro kg lagen. Die folgende Abbildung zeigt die Preisinformationen zu Kohlefasern im September 2016 in RMB. Die Preise sind noch relativ hoch.

2. Klassifizierung von Kohlefasern

Unter Kohlenstofffasern versteht man faserige Verbindungen, die durch Karbonisierung organischer Fasern oder niedermolekularer Kohlenwasserstoffgase bei hohen Temperaturen (1500 °C) in der Atmosphäre entstehen und einen Kohlenstoffgehalt von über 90 % aufweisen. Es verfügt über die ursprünglichen Eigenschaften von Kohlenstoffmaterial und die Weichheit und Verarbeitbarkeit von Fasermaterial. Es verfügt über eine gute Hitzebeständigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und eine gute Beständigkeit gegenüber allgemeinen Säuren und Laugen.

Kohlenstofffasern können je nach Rohstoffquelle in Polyacrylnitril-Kohlenstofffasern (PANCF), Asphalt-Kohlenstofffasern (Pitch-Kohlenstofffasern) und Viskose-Kohlenstofffasern (Rayon-Kohlenstofffasern) unterteilt werden. Entsprechend den mechanischen Eigenschaften kann man sie in Allzweck-Kohlefaser (GP), Hochleistungs-Kohlefaser (HP), hochfeste (HS), hochmodulige (HM), ultrahochfeste (UHS) Kohlefaser und ultrahochmodulige (UHM) Kohlefaser unterteilen.

Je nach ihrer Funktion können Kohlefasern in Kohlefasern für tragende Strukturen, flammhemmende Kohlefasern, leitfähige Kohlefasern, Schmierkohlenstofffasern, verschleißfeste Kohlefasern, Aktivkohlefasern usw. unterteilt werden. Die meisten Kohlefasermaterialien, die für Autos oder Batteriepacks geeignet sind, sind Kohlefasern, die für tragende Strukturen verwendet werden.

Produktklassifizierung von Kohlefasern: Späne, Kurzfasern, Langfasern, Endlosfasern, Gewebe und Geweberöhren;

Da Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis Kohlenstofffasern auf Asphalt- und Viskosebasis in ihrer Festigkeit überlegen sind, machen sie über 90 % der weltweiten Kohlenstofffaserproduktion aus. Kohlenstofffasern werden aus Polyacrylnitril-Rohseide durch Voroxidation, Karbonisierung und Wärmebehandlung bei höchstmöglicher Temperatur hergestellt. Im Allgemeinen bezieht sich dies auf Kohlenstofffasern.

Die Herstellung von Kohlenstofffaser-Vorläufern ist ein langwieriger und komplexer chemischer Prozess mit vielen Schritten. Es liegt auch weit von unserer Anwendung entfernt und wird hier nicht besprochen. Kommen wir direkt zur Formgebung von Kohlefaserverbundwerkstoffen.

3. Formverfahren für Kohlefaserverbundwerkstoffe

Ein Verbundwerkstoff ist ein mehrphasiger Feststoff, der aus zwei oder mehr Substanzen mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften besteht. Kohlefaserverbundwerkstoffe sind eine Art von Verbundwerkstoffen, die durch Hinzufügen von Kohlefasern als Verstärkungskomponente zu einem Substrat entstehen.

Die harzbasierten Kohlefaserverbundwerkstoffe, die wir üblicherweise in Autos sehen, können in zwei Kategorien unterteilt werden: duroplastische und thermoplastische:

Duroplaste (Hermoset): Epoxidharz (Epoxy), Vinylesterharz (VinylEster), ungesättigtes Polyesterharz (UnsaturatedPloyester), Phenolharz (Phenolic);

Thermoplastisches Harz: PE, PP, PVC, PA;

Der Formprozess ist der wichtigste Schritt bei der Umwandlung von Rohstoffen in Strukturteile. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen im Automobilbau ist untrennbar mit der Entwicklung des Formgebungsverfahrens verbunden. Es gibt viele Verarbeitungs- und Formverfahren für Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe, und unterschiedliche Form- und Verarbeitungstechnologien haben einen großen Einfluss auf die Leistung der Produkte.

Die derzeit am häufigsten verwendeten Verarbeitungs- und Formverfahren für Kohlefaserverbundwerkstoffe in der Automobilindustrie sind: Handlaminieren, Sprühformen, DMC-Formen (Dough Molding Compound), SMC-Formen (Sheet Molding Compound), Laminierungsverfahren, RTM-Formen (Resin Transfer Moulding), Wickelverfahren, RIM-Formen (Reaction Injection Moulding) und Pultrusionsverfahren.

Bei herkömmlichen Verfahren wird die Materialformung von endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen normalerweise gleichzeitig mit der Formung des Produkts abgeschlossen und anschließend durch geringfügiges Schneiden und Verbinden ergänzt, um das fertige Produkt zu formen. Zufällig verteilte, kurzfaserverstärkte Kunststoffe können zu verschiedenen Formen von Vormischungen verarbeitet und anschließend extrudiert und geformt werden.

Die Automobilindustrie sollte Formpressverfahren wie der Technologie für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) den Vorzug geben, insbesondere dem neuen RTM-Verfahren, einer weltweit anerkannten kostengünstigen Formtechnologie für Verbundwerkstoffe. Diese Technologie hat sich schnell entwickelt und wird in der Automobilindustrie häufig eingesetzt. Durch das Wickelverfahren können dem Produkt besondere mechanische Eigenschaften verliehen werden, weshalb es zur Herstellung von Teilen wie Flaschen, Dosen und Lagern verwendet wird.

3.1 RIM-Formtechnologie

Die Resin Transfer Moulding (RTM)-Technologie ist eines der typischen Verfahren der Composite Liquid Moulding Technology (LCM). Das Hauptprinzip des Verfahrens besteht darin, zunächst faserverstärkte Materialien oder entsprechend den strukturellen und Leistungsanforderungen konstruierte Vorformlinge in die Formhöhle einzulegen und dann mithilfe von Injektionsgeräten ein spezielles Harzsystem mit niedriger Viskosität in die geschlossene Formhöhle zu injizieren oder per Vakuum aufzusaugen, um die Fasern vollständig zu infiltrieren. Das Harz wird ausgehärtet und entformt, um eine Verbundwerkstoffkomponente zu erhalten. Mit dem RTM-Verfahren können große und komplexe Komponenten in einem Durchgang geformt werden. Es bietet eine hohe Designfähigkeit, eine einfache Größenkontrolle, eine hohe Oberflächenqualität, kurze Produktionszyklen und ermöglicht eine halbautomatische oder automatisierte Produktion. Der Stanzvorgang für herkömmliche Autobleche dauert nur wenige Sekunden, während der normale RTM-Formprozess länger dauert. Die gesamte Formzeit beträgt im Allgemeinen mehr als zwei Stunden und es besteht immer noch das Problem der geringen Effizienz. Daher ist es notwendig, ein schnell aushärtendes Harzsystem und ein geeignetes Formverfahren zu entwickeln, um den RTM-Formzyklus zu verkürzen.

Schnellhärtendes Harzsystem

Beim herkömmlichen RTM-Formverfahren nimmt der Aushärtungsprozess des Harzes den größten Teil des Formprozesses ein. Daher ist ein schnell aushärtendes Harzsystem die wichtigste Voraussetzung für ein effizientes RTM-Formverfahren. Die Forschungsrichtung liegt hauptsächlich auf der Verwendung von Harzinjektionstechnologie mit niedriger Viskosität. Obwohl die schnelle Verfestigung von Harzen mit niedriger Viskosität während des RTM-Formens die Produktionseffizienz effektiv verbessern kann, führt sie häufig zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Produkte, was ebenfalls ein wichtiger Aspekt ist, der bei der Harzherstellung berücksichtigt werden muss. Schnelle Harzinjektionstechnologie

Während des RTM-Formverfahrens kann die Harzeinspritzzeit durch Vergrößerung der Harzeinspritzöffnung und Verbesserung des Harzeinspritzdrucks reduziert werden. Durch die Vergrößerung der Harzeinspritzöffnung kann die Harzeinspritzgeschwindigkeit effektiv erhöht werden, ohne den Druck zu erhöhen.

Wenn jedoch mehrere Einspritzöffnungen zum Formen verwendet werden, können die Harzfließfronten der verschiedenen Gießöffnungen während des Schmelzvorgangs zur Blasenbildung führen. Daher ist es notwendig, die Öffnungszeit und den Druck der Einspritzöffnungen zu kontrollieren, um die Blasenbildung zu reduzieren.

In den letzten Jahren wurde die Hochdruck-RTM-Technologie (HP-RTM) häufig beim RTM-Rapid-Prototyping eingesetzt. Der Harzeinspritzdruck ist relativ hoch (über 2 MPa), sodass der Formhohlraum leicht und schnell mit Harz gefüllt werden kann. Darüber hinaus kann es die Imprägnierungswirkung des Harzes in der Verstärkungsfaser verbessern, die Entstehung von Poren im Produkt verringern und Produkte mit hervorragender Oberflächenqualität erzielen.

RIM-Produkte haben eine gute Oberflächenqualität, einen kurzen Formzyklus, niedrige Produktionskosten und können große Teile produzieren. RRIM-Produkte werden zur Herstellung von Autostoßstangen und Instrumententafeln verwendet. Hochfeste RRIM-Produkte können auch als Strukturwerkstoffe und tragende Materialien für Automobile verwendet werden.

3.2. Heißpressformtechnologie

Beim Heißpressverfahren wird die Harzmatrix bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck geschmolzen und fließen gelassen und anschließend die Faser erneut imprägniert, um Verbundteile einer bestimmten Form herzustellen. Das Heißpressverfahren weist einen kurzen Formzyklus auf, lässt sich leicht automatisieren und ermöglicht den Einsatz herkömmlicher Blechformgeräte. Es eignet sich für die kostengünstige Herstellung thermoplastischer Verbundwerkstoffe. Es bietet breite Anwendungsmöglichkeiten für die effiziente Formgebung von Automobilteilen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen.

In den 1980er Jahren entwickelten sich das SMC-Formverfahren und das Bulk-Molding-Compounds-(BMC)-Formverfahren zu den wichtigsten Verfahren für die industrielle Produktion von Autoteilen und fanden in der Fahrzeugbauindustrie breite Anwendung. SMC, DMC und BMC sind drei wichtige Verbundwerkstoffe auf Basis von duroplastischen Harzen, die häufig als Halbzeuge für geformte Verbundprodukte verwendet werden.

Beim SMC-Formverfahren werden SMC-Platten entsprechend der Größe, Form und Dicke des Produkts zugeschnitten. Anschließend werden mehrere Lagen Platten aufeinandergestapelt und zum Erhitzen und Unterdrucksetzen in eine Metallform gelegt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Formgebungseffizienz, eine glatte Produktoberfläche und gute Dimensionsstabilität aus, ist für die Massenproduktion geeignet und weist eine hohe Kosteneffizienz auf. Die erfolgreiche Entwicklung des SMC-Prozesses und die Anwendung der mechanisierten Formtechnologie haben zu einer jährlichen Wachstumsrate von 25 % bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen in der Automobilindustrie geführt. SMC wird häufig in Autoteilen wie Motorhauben, Luftführungsabdeckungen, Ventildeckeln, Wassertankkomponenten, Motorschalldämmplatten, Heizungsabdeckungen, Zylinderköpfen, Ansaugkrümmern, Wasserauslassgehäusen, Wasserpumpen und Kraftstoffpumpen verwendet.

Das SMC-Verfahren hat jedoch Nachteile, beispielsweise nicht recycelbare Produkte, eine leichte Umweltverschmutzung und höhere Einmalinvestitionen als bei entsprechenden Stahlteilen. Daher wurde das SMC-Verfahren zunächst nur bei Sportwagen oder großen Karosseriestrukturen eingesetzt. Um die gewichtsreduzierenden Eigenschaften von Verbundwerkstoffen voll auszunutzen, wurden in SMC-Komponenten Kohlenstofffasern als Ersatz für Glasfasern eingeführt. Das von DSM in den Niederlanden entwickelte Carbon Fiber Sheet Molding Compound (CSMC) wird erfolgreich in den Unterstrukturkomponenten von Autos eingesetzt.

3.3 Pultrusionsverfahren

Beim Pultrusionsverfahren werden mit Harzkleber imprägnierte Endlosstränge, Bänder oder Gewebe aus Kohlefasern unter Zugeinwirkung durch eine Extrusionsdüse geformt und verfestigt, um so kontinuierlich Profile unbegrenzter Länge herzustellen. Pultrusion ist ein spezielles Verfahren zur Formgebung von Verbundwerkstoffen. Sein Vorteil besteht darin, dass der Produktionsprozess vollständig automatisiert und gesteuert werden kann und eine hohe Produktionseffizienz gewährleistet ist. Der Fasermassenanteil in pultrudierten Produkten kann bis zu 80 % betragen. Die Imprägnierung erfolgt unter Spannung, wodurch die Rolle des Verstärkungsmaterials voll zum Tragen kommt. Das Produkt weist eine hohe Festigkeit auf und die Längs- und Querfestigkeit des fertigen Produkts kann beliebig angepasst werden, um den unterschiedlichen mechanischen Leistungsanforderungen des Produkts gerecht zu werden. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Profilen mit unterschiedlichen Querschnittsformen, wie beispielsweise I-förmigen, winkelförmigen, nutförmigen, Rohren mit Sonderquerschnitten sowie kombinierten Querschnittsprofilen aus den genannten Querschnittsformen.

3.4 Vakuumunterstützte Verstärkung (VARI)

VARI ist ein Verfahren, bei dem trockenes Gewebe mit Hilfe von Vakuum in den Formprozess eingebracht wird. Das Verfahrensprinzip besteht darin, das faserverstärkten Material mit einer flexiblen Vakuumbeutelfolie auf einer einseitigen starren Form zu umwickeln und abzudichten, mittels Vakuumunterdruck das Gas im Formhohlraum zu entfernen und den Harzfluss durch Vakuumunterdruck anzutreiben, um eine Harzimprägnierung der Faser und ihres Gewebes zu erreichen.

4. Anwendungsfälle von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Power-Batteriekästen

Es gibt nicht viele Fälle, in denen Akkugehäuse aus Kohlefaserverbundwerkstoff in der Praxis zum Einsatz kommen. Hier finden Sie eine Einführung in den Prozess der Entwicklung von Batteriegehäusen unter Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen im Artikel „Designforschung zu Kohlefasergehäusen für Automobilbatterien“ von Autor Zhang Xiaohong. Als Schutzteil für Leistungsbatterien in Elektrofahrzeugen werden an das Batteriegehäuse sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Konstruktion und Gewicht gestellt. Nachdem Gewicht und Größe des Batteriemoduls bestimmt sind, müssen bei der Konstruktion des Batteriegehäuses zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden. Zunächst einmal ist der Batteriekasten der Träger des Batteriemoduls und das Batteriemodul muss über ihn mit der Fahrzeugkarosserie verbunden werden. Zweitens ist die Antriebsbatterie im Allgemeinen im unteren Teil der Fahrzeugkarosserie eingebaut. In Anbetracht der Arbeitsumgebung des Batteriemoduls muss der Batteriekasten eine Schutzfunktion für das Modul haben. Dabei muss die Wasser- und Staubdichtigkeit des Moduls sowie die Korrosion des Batteriekastens durch die Straßenumgebung berücksichtigt werden. Außerdem muss der Batteriekasten den Vibrationen und Stößen standhalten, die er während des Fahrzeugbetriebs aushält. In dieser Studie wird ein vakuumunterstütztes Formverfahren verwendet. Der Prozessplan für den Batteriekasten sieht wie folgt aus: eine Negativform mit hochglänzender oder matter Oberflächenbehandlung. Nachdem eine bestimmte Anzahl von Lagen Kohlefasergewebe auf die Form gelegt wurde, wird das gemischte Harzmaterial mithilfe eines Führungsnetzes, eines Führungsrohrs und eines Dichtungsstreifens durch eine Vakuumpumpe in das Fasergewebe gesaugt und schließlich ausgehärtet. Nach dem Erstarren und Formen wird die Entformung durchgeführt und die Ränder und Bereiche, in denen Löcher geöffnet werden müssen, werden ausgeschnitten.

Gesamtkonstruktionsentwurf

Entsprechend der Form und Anordnung des Batteriemoduls, kombiniert mit der Position der Antriebsbatterie an der Fahrzeugkarosserie und im Einklang mit dem Prinzip der maximalen Raumausnutzung, ist die Außenhülle dieses Batteriekastens als nahezu quadratische Kastenstruktur konzipiert. Die Hauptstrukturschicht besteht aus Kohlefasergewebe und ist mit Harz ergänzt. An den Verbindungsstellen werden Metallverbindungen verwendet und die Metallverbindungen und die Hauptstrukturschicht werden mit Strukturkleber verbunden. Das Batteriemodul und die Box sind durch Metallverschlüsse verbunden.

Um die Festigkeit und Form von Teilen zu verbessern, sind Verstärkungsrippen auf einigen großflächigen Strukturoberflächen eine typische Form der Verbesserung der Strukturstabilität. Die hutförmigen Rippen weisen eine relativ hohe Tragfähigkeit und ein geringes Gewicht auf. Dieser Batteriekasten verwendet konvexe und konkave Rippen, ähnlich den hutförmigen Rippen, um die Struktur zu verstärken. Aufgrund der Eigenschaften von Endlosfaser-Verbundwerkstoffen sind die konvexen und konkaven Rippen der kohlenstofffaserverstärkten Struktur so ausgelegt, dass sie die gleiche Dicke aufweisen.

Lay-up-Design

Das Kohlefasergewebe des Batteriekastens besteht aus einer Mischmethode der Gewebe T300-3K und T300-12K mit insgesamt 10 Lagen Kohlefaser-Leinwandbindung plus Harzdesign. Bei der Lagenverlegung werden vor allem folgende Punkte beachtet: die Ausgewogenheit der Verlegewinkel, der Mengenbedarf gleicher Verlegerichtung, die Symmetrie der Verlegung, die Abweichung der Winkel zwischen den Verlegelagen und die Begrenzung der maximalen Anzahl zusammenhängender Verlegelagen. Die Batteriekastenteile bestehen aus 10 kreuzweise verlegten und verbundenen Lagen Leinwandgewebe. Das Batteriemodul muss über den Batteriekasten mit der Fahrzeugkarosserie verbunden werden. Der Batteriekasten ist an den Stoßstellen mit Metallverschlüssen verbunden. Die Befestigungselemente werden teilweise eingebettet und die Einbettungstiefe wird kontrolliert, sodass die Verbindungen höheren Zugkräften standhalten können. Einige Befestigungselemente und die Kohlefaserkarosserie werden mit Strukturkleber miteinander verbunden. Die mechanische Leistungssimulation des entworfenen Batteriekastens wird mit einer maximalen Belastung von 1 G in X- und Y-Richtung und einer maximalen Belastung von 3 G in Z-Richtung durchgeführt. Die Simulationsergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Anschließend wurde eine Modalanalyse durchgeführt und der Modus erster Ordnung betrug 61 Hz. Die Aufprallsimulation wurde gemäß den Bedingungen der Norm ISO 16750 mit einer maximalen inneren Spannung von 76,5 MPa durchgeführt. Die Schwingungssimulation wurde gemäß den Bedingungen des Standards SAEJ2380 durchgeführt und die Ergebnisse lagen weit unter der minimal zulässigen Spannung des Materials. Es wird kein Vergleich tatsächlicher Versuchsergebnisse präsentiert.

Quelle: China Composite Materials Society