Rozwiązania w skali makro

LANXESS, producent specjalistycznej chemii i wchodząca w skład grupy Textron Inc. spółka Kautex Textron GmbH & Co. KG od kilku lat wspólnie badają możliwość wykorzystania technicznych tworzyw termoplastycznych do produkcji obudów akumulatorów trakcyjnych pojazdów elektrycznych. W ramach studium wykonalności specjaliści obu firm wspólnie opracowali bliski wersji seryjnej demonstrator tej technologii. Układ o długości i szerokości ok. 1400 mm to wyrafinowany technicznie, wielkoformatowy i  wykonany w całości z tworzywa sztucznego komponent obudowy o masie kilkudziesięciu kilogramów. 

Celem projektu było wykazanie zalet tworzyw termoplastycznych nad metalami pod względem redukcji masy i kosztów, integracji funkcjonalnej i izolacyjności elektrycznej. 

– W  pierwszej kolejności całkowicie zrezygnowaliśmy z  metalowych struktur wzmacniających, by wykazać, że jesteśmy w stanie komercyjnie produkować te skomplikowane, duże komponenty – wyjaśnia Felix Haas, dyrektor ds. rozwoju produktów w Kautex Textron.

 – W  przyszłości Kautex i  LANXESS chcą wykorzystać rezultaty tej współpracy do angażowania się w  projekty rozwojowe z  producentami motoryzacyjnymi z myślą o uruchomieniu produkcji seryjnej – dodaje dr Christopher Hoefs, menadżer projektu e-Powertrain w LANXESS.

Jednoetapowy proces produkcyjny z krótkimi cyklami produkcyjnymi

Demonstrator opracowano z  myślą o  obudowie akumulatora samochodu elektrycznego segmentu C. Składa się on z tacy ze strukturą absorbującą energię zderzenia, pokrywy i  elementu chroniącego podwozie pojazdu. Elementy obudowy mogą być produkowane w jednoetapowym procesie formowania metodą Direct Long Fibre Thermoplastic (D-LFT). Specjaliści LANXESS zoptymalizowali tworzywo Durethan B24CMH2.0 jako materiał mieszanki do formowania D-LFT. Kautex Textron łączy w  ramach procesu tworzywo PA6 z  rowingami z włókna szklanego. Miejscowe wzmocnienia konstrukcji obudowy wykonano wzmacnianymi włóknem ciągłymi kompozytami termoplastycznymi Tepex dynalite wyprodukowanymi przez koncern LANXESS. 

– Proces ten pozwala na krótsze, a  tym samym bardziej ekonomiczne cykle produkcyjne w porównaniu z procesami przetwarzania stali lub aluminium – wyjaśnia Felix Haas.

Brak skomplikowanego formowania metali, mniej etapów produkcji 

Współczesne obudowy akumulatorów wysokonapięciowych wykonywane są przede wszystkim z wytłaczanych profili stalowych lub aluminiowych. W  zależności od klasy pojazdu długość i szerokość obudowy mogą znacznie wykraczać poza odpowiednio 2000 lub 1500 mm. Wymiary, liczba komponentów oraz liczne etapy produkcji i montażu sprawiają, że obudowy metalowe są bardzo kosztowne – na przykład złożone struktury wykonane z  profili do pras taśmowych wymagają wielu dodatkowych etapów produkcji, takich jak spawanie, wykrawanie i nitowanie. Ponadto elementy metalowe wymagają zabezpieczenia przed korozją w dodatkowym etapie procesu produkcyjnego – zanurzeniowym powlekaniu katodowym. 

– Z drugiej strony, korzystając z tworzyw sztucznych, można w pełni docenić oferowaną przez nie swobodę projektowania. Integracja takich funkcji, jak mocowania i elementy układu regulacji temperatury, pozwala istotnie zmniejszyć liczbę komponentów składających się na obudowę akumulatora. Upraszcza to montaż i logistykę, obniżając koszty produkcji – mówi dr Christopher Hoefs. 

Tworzywa sztuczne są również odporne na korozję i  izolują elektrycznie. Ta ostatnia właściwość ogranicza ryzyko wystąpienia zwarcia w układzie elektrycznym. Niska gęstość tworzyw sztucznych, sprzyjająca lekkości konstrukcji, owocuje znacznie lżejszymi obudowami, co jest korzystne z punktu widzenia choćby zasięgu samochodów elektrycznych.

Złożony miks wysokich wymagań 

Obudowy akumulatorów wysokonapięciowych muszą spełniać szereg różnego rodzaju surowych wymogów technicznych. Na przykład muszą być sztywne i  mocne, a  jednocześnie być w  stanie pochłaniać znaczne ilości energii w przypadku zderzenia. Jest to testowane w  testach wytrzymałości mechanicznej na uderzenia i  zgniatanie. Obudowy muszą być również ognioodporne na wypadek zapalenia się pojazdu lub „ucieczki termicznej” ogniw akumulatora. Obudowy muszą być też zintegrowane z konstrukcją pojazdu. 

– Kontynuujemy współpracę nad optymalizacją produkcji i konstrukcją komponentów. Celem jest realizacja większości prac rozwojowych metodą wirtualną w  celu obniżenia kosztów projektowania prototypów i  skrócenia czasu potrzebnego do wprowadzenia przyszłych komponentów seryjnych na rynek – mówi dr Christopher Hoefs.