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EMV test chamber
25.08.2020

Ungestörte Leichtigkeit

Kunststoffe können nicht nur isolieren, sondern auch Strom leiten. Wer braucht so etwas? Zum Beispiel das Elektroauto der Zukunft. Mithilfe von Spezialkunststoffen und Beschichtungen von Freudenberg Sealing Technologies kann es einige überflüssige Pfunde verlieren.

Dichtungen sind Undercoveragenten. Ihre Mission: Kältemittel, Kraftstoff, Kühlwasser und Öl, in nahezu jedem Auto an Bord, am „Grenzübertritt“ in die Umwelt zu hindern. Die gut ausgebildeten Spezialisten arbeiten auch unter widrigen Bedingungen zuverlässig. Doch in den kommenden Jahren verändert sich das Jobprofil. Zwar braucht auch ein Elektroauto zuverlässige Dichtungen, die beispielsweise dafür sorgen, dass kein Kühlwasser austritt. Damit bescheren sie der Batterie ein langes Leben.

Für die Massenproduktion haben wir verschiedene kostengünstige Alternativen entwickelt.

Volker Schroiff, Leiter Technologiemanagement von Freudenberg Sealing Technologies

Doch wo Strom fließt, entsteht immer auch ein elektrisches Feld – im Physikunterricht mit der „Drei-Finger-Regel“ einprägsam verdeutlicht. Im Elektroantrieb fließt der Strom allerdings – außer bei bestimmten Ladevorgängen – selten kontinuierlich in eine Richtung. Die Leistungselektronik peitscht Wechselstrom mit hohen Frequenzen in die Adern des Elektromotors, der – je nach Bauart – mit Frequenzen von bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute arbeitet. Entsprechend schnell wechseln die Feldstärken und erzeugen dabei elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen. Würden sie nicht gestoppt, käme es vor allem in der Vielzahl von Kleincomputern an Bord zu Störungen, vielleicht sogar in dem Auto, das nebenan an derselben Ampel hält. Die einzig zuverlässige Waffe im Kampf gegen elektromagnetische Wellen besteht darin, elektrische Komponenten in ein Gehäuse einzusperren, das aus einem elektrisch leitenden Material gearbeitet ist oder dessen elektrisch leitfähige Oberfläche die Wellen reflektiert.

Kunststoff ersetzt Aluminium

In den Elektroautos der aktuellen Generation bestehen die Gehäuse für Akkus, Motoren und Leistungselektronik daher fast ausnahmslos aus Aluminium. Es ist einerseits ein guter Stromleiter, andererseits ein Leichtmetall mit niedrigem spezifischem Gewicht. Zudem lässt es sich im Druckguss gut verarbeiten und ist daher entsprechend kostengünstig. Den Ex­perten von Freudenberg Sealing Technologies ist gut aber nicht gut genug. Denn jedes Kilo Hüftspeck geht beim Elektroauto auf die Reichweite. Könnte man die vielen Alubauteile durch Kunststoffe ersetzen, dann wären einige Dutzend Kilo zu gewinnen – entsprechend kleiner könnte der teure Akku sein. Die Hürde: Man braucht dafür einen elektrisch leitfähigen Kunststoff. Erst seit den 1980er Jahren ist bekannt, dass es solche Wunderwerkstoffe tatsächlich gibt. Eingesetzt werden die recht teuren Materialien allerdings fast ausschließlich in der Elektronikfertigung, beispielsweise für Displays.

Ein Ziel, mehrere Wege

„Intrinsische, also von sich aus leitfähige Kunststoffe kommen auch bei uns vereinzelt zum Einsatz“, sagt Volker Schroiff, der das Technologiemanagement von Freudenberg Sealing Technologies leitet. „Für die Massenproduktion haben wir allerdings verschiedene Alternativen entwickelt, die deutlich kostengünstiger sind.“ Alternative eins besteht darin, ein Kunststoffgehäuse mit einer leitfähigen Beschichtung zu versehen. Aufgetragen wird sie ähnlich wie ein Lack. Die industrielle Umsetzung ist weit fortgeschritten – gemeinsam mit seinen Kollegen aus dem Geschäftsbereich Special Sealing Products arbeitet Schroiff bereits am Konzept für eine entsprechende Anlage. Alternative zwei basiert auf der Idee, dem Kunststoff vor dem Spritzguss Partikel aus einem leitfähigen Material zuzugeben. Vorteil dieses Weges: In der Produktion sind keine zusätzlichen Prozessschritte notwendig, was besonders bei kleineren Bauteilen einen Kostenvorteil bieten kann. Und schließlich gibt es einen dritten Weg, der sich insbesondere für große Oberflächen – etwa den Gehäusedeckel einer Traktionsbatterie – eignet. Hierfür wird in der Herstellung ein Vlies, dessen Fasern zuvor eine elektrisch leitfähige Beschichtung erhalten haben, in das Werkzeug eingelegt, in dem ein Duroplast-Bauteil produziert wird. „Bei dieser Lösung arbeiten wir eng mit den Vliesstoffexperten von Freudenberg Performance Materials zusammen“, erläutert Schroiff.

Ab einer Jahresproduktion von mindestens 30.000 Bauteilen haben die Spezialkunststoffe von Freudenberg Sealing Technologies gegenüber Aluminium Gewichts- und Kostenvorteile.

Erste Pilotprojekte mit drei großen Direktlieferanten von Elektroantrieben zeigen: Die aus der Physik des Elektromagnetismus abgeleiteten Ideen funktionieren auch in der Praxis an realen Bauteilen. Und ab einer Jahresproduktion von mindestens 30.000 Bauteilen haben die Spezialkunststoffe von Freudenberg Sealing Technologies gegenüber Aluminium nicht nur einen Gewichts-, sondern auch einen Kostenvorteil. Derweil geht Schroiff schon wieder neue Wege. Künftig könnte die leitende Schicht auch aus einem hauchdünnen Elastomer bestehen, das im Zweikomponenten-Spritzgießverfahren gemeinsam mit dem Gehäuse in einem Werkzeug gefertigt würde. Das Elastomer dient dann nicht nur als Schutzschild gegen elektromagnetische Wellen, sondern auch zur Abdichtung gegen flüssige und gasförmige Medien. Das im Sommer 2019 zum Patent angemeldete Verfahren vereint die alte und die neue Mission der Undercoveragenten.


Dieser Beitrag stammt aus unserem Unternehmensmagazin „ESSENTIAL“, in dem wir kontinuierlich über Trends und Schwerpunktthemen aus unseren Zielindustrien und –märkten berichten. Weitere Beiträge des Magazins finden Sie hier.

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