Fertigungslösungen für die Batterieherstellung

(Artikel vom 24.06.2024) Möglichkeiten der Kleb- und Dichtstoffapplikation in der Batteriemodul- und Batteriepackfertigung

Um der steigenden Nachfrage nach Fahrzeugen mit alternativen Antriebstechnologien gerecht zu werden, werden auch in Europa die Fertigungskapazitäten erhöht. Die Applikation von Kleb- und Dichtstoffen spielt dabei eine entscheidende Rolle im Bereich der Batterieherstellung für die E-Mobilität.

Als zertifizierter Lieferant verschiedener Automobilhersteller und deren Zulieferer bietet SM Klebetechnik leistungsstarke Applikationslösungen für die Fertigung von Batteriepaketen an.

Bereits im Jahr 2021 wurde die Aktualität dieses Themas in Form einer Abschlussarbeit unter dem Titel "Kleben und Dichten in der Batteriemodul- und Batteriepackfertigung (E-Mobilität)" aufgegriffen. In Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Aachen entstand eine praxisorientierte Lösung für die zuverlässige Abdichtung von Batteriepacks.

Abdichtung von Batteriepacks mittels hochviskoser Butyldichtstoffe
Die Abdichtung von Automobil-Batterien für die Anwendung in der E-Mobilität ist ein entscheidender Prozessschritt in der Fertigung. Die präzise Applikation des Dichtstoffs schützt einerseits das Innenleben des Batteriepacks vor Umwelteinflüssen und andererseits die Passagiere vor Gasen oder anderen Giftstoffen, die bei einem Defekt des Batteriepacks austreten können.

Die Dichtstoffe auf Butylbasis, die für die Abdichtung der Automobil-Batteriedeckel verwendet werden, bieten neben ihrer luft- und gasabdichtenden Wirkung auch eine hohe Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen wie Salz, Steinschlag oder Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Oftmals haben diese Dichtstoffe eine Viskosität von 1,5 bis 3 Millionen mPa*s. Trotz ihrer hohen Viskosität ist es entscheidend, eine homogene Applikation in einem reproduzierbaren Prozess sicherzustellen, um eine vollständige Dichtwirkung zu erzielen.

Darüber hinaus müssen Prozess- und Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 400 mm/s realisiert werden, um den Taktzeiten in der Automobilindustrie gerecht zu werden.

Flammschutz durch verklebte Glimmabschirmungen
Neben dem Schutz der Batterie vor Umwelteinflüssen und Alterung ist auch der Schutz der Fahrzeuginsassen im Falle eines Defekts oder Unfalls entscheidend. Gesetzlich vorgeschrieben ist eine feuerhemmende Beschichtung der Batterien, um den Fahrzeuginsassen im Notfall oder Brandfall ausreichend Evakuierungszeit zu gewährleisten. Diese Beschichtung wird durch sogenannte Glimmerabschirmungen erzielt, die mittels reaktiver Klebstoffe auf die Außenseite des Batteriepacks geklebt werden. Im Falle eines Batteriebrands können so die Flammen bis zu 5 Minuten lang daran gehindert werden, auf das Fahrzeug überzugreifen.

Für diesen Anwendungsfall werden feuchtigkeitsvernetzende Heißklebstoffe auf Polyurethanbasis verwendet, die auch unter großer Hitze nicht aufschmelzen. Die Applikation erfolgt in Form eines flächigen Sprühauftrags. Durch eine homogene Klebstoffschicht lässt sich der Materialeinsatz optimieren, ohne die Haftungseigenschaften zu reduzieren.

SM Klebetechnik: Anlagen erfüllen breites Anforderungsspektrum bei der Batterie-Fertigung von Automobilen
Durch zahlreiche Anwendungen im Bereich der Batteriepackabdichtung konnte die Anlagentechnik von SM Klebetechnik optimal auf die Anforderungen in diesem Bereich abgestimmt werden. Das Ergebnis ist eine anwendungsorientierte Applikationslösung, die das breite Anforderungsspektrum der Automobil-Batterie-Abdichtung erfüllt.

Für die Butylapplikation hat sich der Pumpenauftragskopf KP81 von SM Klebetechnik bewährt, der mit einer kopfseitig verbauten Zahnradpumpe ausgestattet ist. Mit dem Raupenmodul ist es durch einfaches Wechseln der Applikationsdüse möglich, verschiedene Raupengeometrien zu applizieren. Dabei können sowohl Rundraupen mit Durchmessern von bis zu 20 mm als auch andere Raupengeometrien wie Rechteck- oder Dreiecksraupen realisiert werden. Die integrierte Zahnradpumpe und die kurze Regelstrecke zwischen Düsenausgang und Pumpe ermöglichen eine präzise Applikation mit minimalen Druckschwankungen während des Auftrags. Ein vorne abschließendes Nadelventil gewährleistet zudem ein sauberes Start-Stopp-Verhalten ohne Fadenzug über das Bauteil.

Auch für das Flächensprühen bietet SM Klebetechnik mit dem KF0170 einen passenden Auftragskopf an. Dieser Fiberspray-Head zerstäubt den Klebstoff mittels beheizter Druckluft und erzeugt ein homogenes Auftragsbild. Die maximale Auftragsbreite pro Kopf beträgt 220 mm, größere Auftragsbreiten sind durch die modulare Anordnung mehrerer Auftragsköpfe möglich. Mit seinen wechselbaren Maskenblechen ist der Auftragskopf sehr wartungsarm und kann individuell an die Kundenanforderungen angepasst werden.

Für das Aufschmelzen und Fördern der verschiedenen Kleb- und Dichtstoffe bietet SM Klebetechnik eine Vielzahl von Anlagen. Bei hochviskosen Dichtstoffen werden in den meisten Fällen Fassschmelzer für 20- oder 200-Liter-Gebinde verwendet. Neben der Schmelzleistung ist eine entsprechende Stempelkraft des Fassschmelzers erforderlich, um einen kontinuierlichen Massenfluss sicherzustellen. Die Spindelfassschmelzer GX78 von SM Klebetechnik sind durch ihren Spindelantrieb in der Lage, hochviskose Materialien mit hoher Austragsmenge zu schmelzen und zu fördern.

Reaktive Heißklebstoffe werden sowohl mit pneumatischen Fassschmelzern als auch mit speziellen Beutel- oder Tankschmelzgeräten verarbeitet. Tankschmelzgeräte der GR-Serie sind mit einem integrierten Drucklufttrockner ausgestattet, um die Vernetzung der Klebstoffe innerhalb des Geräts zu vermeiden. Diese Geräte besitzen zudem ein Reservoir, das eine unterbrechungsfreie Förderung auch während des Nachfüllens des Klebstoffs ermöglicht.

Versuche im Technikum bestätigen die Praxistauglichkeit
Durch die enge Zusammenarbeit mit führenden Kleb- und Dichtstoffherstellern werden regelmäßige Materialtests unter praxisnahmen Bedingungen im hauseigenen Technikum von SM Klebetechnik realisiert. Die Versuche bestätigten die Praxistauglichkeit der Anlagentechnik, ebenso die Rückmeldung des Partners:

"Die Tests fanden im Technikum von SM Klebetechnik in Heinsberg statt. Das Unternehmen beschäftigt rund 70 Mitarbeiter und ist aufgrund seiner Größe ein sehr flexibler und aktiver Partner für uns.

Nach kurzer Zeit konnte mit dem Spindelfassschmelzer 200L GX78 problemlos eine saubere Siegelnaht aufgebracht werden. Nach Einstellung der Parameter konnte auch ein simulierter Abschnitt mit engem Radius erfolgreich appliziert werden. Durch die Auswahl verschiedener Düsen und weiterer Maschineneinstellungen können nahezu alle Anforderungen hinsichtlich Einspritzmenge, Geometrie, Auftragsgeschwindigkeit etc. erfüllt werden. Die generelle Eignung des vorgestellten Systems ist damit bewiesen. SM Klebetechnik ist bereits mit Systemen im Automobilumfeld vertreten und wir haben vereinbart, dass wir bei zukünftigen Projekten, z.B. bei der Abdichtung von Batteriegehäusedeckeln, zusammenarbeiten können.

Auch für die Anwendung von reaktivem Hotmelt, z.B. für die Verklebung von Glimmerabschirmungen auf Kunststoff-Batteriegehäusen, können wir uns eine weitere Zusammenarbeit vorstellen."

Die Versuchsreihe mit dem Heißbutyl hat zeigt, dass die von SM Klebetechnik entwickelte Applikationstechnik für die Automobil-Batterie-Abdichtung auch sehr hochviskose Dichtstoffe in ausreichenden Mengen schmelzen und fördern kann und damit die Anforderungen der Kunden erfüllt. Der anschließende Raupenauftrag mit dem Pumpenauftragskopf KP 81 zeigt zudem, dass auch die Applikation dieses Dichtstoffs mit der vorhandenen Anlagentechnik realisierbar ist. Mithilfe verschiedener Düsendurchmesser sowie einer veränderten Pumpendrehzahl lassen sich die Raupendurchmesser variabel gestalten.

(Die Bildrechte liegen bei dem Verfasser der Mitteilung.)

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