Matthias Zscheyge: Die Kunststoff-Sandwichstruktur, die E-Autos leichter machen soll

Am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systeme IMWS hat Projektleiter Matthias Zscheyge im Projekt InThElekt eine neue Bauweise für den Leichtbau im E-Auto entwickelt. Composite-Sandwichstrukturen aus Kunststoff ersetzen klassische Metallteile und tragen gleichzeitig Elektronik und Kühltechnik in sich. Ziel ist es, das Fahrzeuggewicht zu senken, den Energieverbrauch zu verringern und die Reichweite zu erhöhen.

Wie die Sandwichstruktur aufgebaut ist

Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit stand ein Leichtbaukonzept aus faserverstärkten thermoplastischen Deckschichten, zwischen denen ein geschäumter Kern für Stabilität bei geringem Gewicht sorgt. Hergestellt werden die Bauteile im Thermoplast-Schaumspritzguss. Um möglichst hohe Schäumgrade zu erreichen, kombinierte das Team das Verfahren mit sogenannten Negativprägen.

Laut Zscheyge zeigt das Projekt, wie sich Leichtbau, Funktionsintegration und ein fertigungs- sowie werkstoffgerechtes Design in einer thermoplastischen Sandwichstruktur zusammenführen lassen. Dafür untersuchte das Team, wie unterschiedliche Materialsysteme, Schäumverfahren, Expansionsgrade und Prozessparameter wie die Werkzeugtemperatur die lokale Schaumstruktur und die mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

Was der Demonstrator zeigt

Am Beispiel eines Leichtbau-Montageträgers demonstrierte das Team die neue Technologie, die elektrische Funktionsintegration und die Gewichtsersparnis gegenüber einer früheren Stahlbauweise. Für die Versuche entwickelten die Beteiligten ein komplexes Werkzeug für den Schaum-Spritzguss mit Organoblech-Integration sowie eine Automatisierung über ein Robotergreifsystem.

Umfangreiche Studien zum physikalischen und chemischen Schäumen lieferten Daten zu Schaumstruktur, Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit. Zur Kontrolle setzte das Team zerstörungsfreie Prüfmethoden wie Röntgen-Computertomographie und Ultraschall ein, um Porosität, Zellverteilung und Strukturqualität zu analysieren.

Wie Elektronik und Wärme im Material zusammenspielen

Eine zentrale Herausforderung war die Wärmeableitung: Elektronikkomponenten erzeugen Wärme, Kunststoffstrukturen leiten sie jedoch nur schlecht weiter. Dafür entwickelte das Team neuartige Elektronik-Vergussmaterialien, Thermomanagement-Lösungen und passende Schnittstellenkonzepte zwischen Struktur und Elektronik.

Bei der Integration der Elektronik testete das Team verschiedene anorganische Vergussmassen und bewertete sie nach Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Haltbarkeit. Parallel entstanden Verarbeitungskonzepte für leiterplattenbasierte Elektronikbaugruppen, die sich in die Leichtbauelemente integrieren lassen.

Wie zuverlässig diese Lösungen im Alltag sind, prüfte das Team an Funktionsmustern. Mit hochaufgelösten Mikrostrukturanalysen sowie Temperaturwechsel- und Temperaturschocktests bewertete es Alterungsmechanismen und Zuverlässigkeitsrisiken der Elektronikkomponenten.

Bild: Symbolbild, KI-erzeugt.