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Lückenfüller: Leistungsfähige Paste für höhere Leistung

Bei den Hochspannungsbatterien von Elektrofahrzeugen spielt das Temperaturmanagement eine wichtige Rolle. Batteriezellen können ihre maximale Leistung nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liefern und dürfen nicht überhitzen. Zur effektiven Übertragung der durch den Zellenbetrieb erzeugten Wärme an die Umgebung wird eine Wärmeleitpaste auf die Batterieschale aufgetragen. Erfahren Sie mehr über diesen kritischen Schritt beim Verbindungsprozess.

Wärmeleitpasten unterstützen das aktive Wärmemanagement der in Elektrofahrzeugen verwendeten großen Batteriepakete. Diese Pasten übertragen die durch das Laden und Entladen der Zellen erzeugte Wärme an Kühlvorrichtungen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Batterie innerhalb ihres optimalen Temperaturbereichs arbeitet und nicht überhitzt. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt zur Erfüllung der Marktanforderungen, mit denen moderne Elektrofahrzeuge im Hinblick auf Sicherheit, Leistung, Reichweite und kurze Ladezeiten konfrontiert sind. Während des Verbindungsprozesses bei der Batteriefertigung wird ein wärmeleitendes Füllmaterial mit hoher Präzision auf die Batterieschale aufgetragen, wobei Lufteinschlüsse vermieden werden. Die Zelleinheiten werden dann auf diesem flüssigem Material montiert. Fügungstechniken von Atlas Copco können das Verhalten viskoser Wärmeleitpasten auf die Fuge berücksichtigen, die Paste in einer gleichmäßigen Schicht aufpressen und für einen optimalen Kontakt zwischen Gehäuse und Batteriemodul sorgen.

Bestimmen des optimalen Applikationsmusters

Typisches Lückenfüller-Applikationsmuster

Typisches mäanderförmiges Lückenfüller-Applikationsmuster für EV-Batterien

Um die Wärmeleitfähigkeit der Paste zu gewährleisten, ist eine präzise Applikation ohne Lufteinschlüsse unerlässlich. Dies stellt insofern eine Herausforderung dar, als die Paste häufig in großen Mengen mit hoher Durchflussrate aufgetragen wird. Je nach Verbindungsprozess, Materialeigenschaften und Form der Teile stehen verschiedene Applikationsmuster zur Verfügung, um zu gewährleisten, dass die Module ohne Lufteinschlüsse mit der Paste verklebt werden. Zu diesen Mustern gehören parallele Linien sowie mäander- und knochenförmige Applikationsmuster. Normalerweise sind umfassende Tests zur Bestimmung des in jedem Einzelfall optimalen Applikationsmusters erforderlich.

In unserem Innovation Center in Bretten bringen wir Batterie- und Gerätehersteller sowie Materiallieferanten mit unseren Fügetechnik-Experten zusammen. „Gemeinsam entwickeln wir das richtige Verfahren in den Testzellen und passen Material, Dosierausrüstung und Prozess den spezifischen Anforderungen des Projekts an“, sagte Udo Mössner, Batterieverbindungsexperte der Abteilung Technischer Vertrieb von Atlas Copco IAS, GmbH. In Zusammenarbeit mit einem renommierten Forschungsinstitut entwickelt Atlas Copco außerdem neue Simulationen, um das bestmögliche Applikationsmuster auf Grundlage von Materialeigenschaften und Presskräften zu bestimmen. Diese Methode wird in Zukunft möglicherweise Zeit und Geld sparen.

In-Line-Qualitätsüberwachung der Lückenfüller-Applikation

Die Lückenfüller-Applikation kann über ein integriertes Sichtsystem überwacht werden – Fehler bei Position, Breite und Kontinuität der Raupe werden sofort erkannt.

Die Lückenfüller-Applikation kann über ein integriertes Sichtsystem überwacht werden – Fehler werden sofort erkannt.

Die Breite, Position und Kontinuität der Raupe können fortlaufend mit einem in den Dosierkopf integrierten Kamerasensorsystem überwacht werden. Applikationsfehler wie Lücken in der Klebstoffraupe werden sofort erkannt und können dann korrigiert werden. Moderne Systeme von Atlas Copco verfügen über eine Korrekturfunktion zur automatischen Beseitigung von Lücken in der Paste. Dadurch werden die Zykluszeit kurz gehalten und Qualitätssicherungskosten gesenkt.

Toleranzausgleich: so viel wie notwendig, so wenig wie möglich

Batterieschalen-Scan: Die zu füllende Lücke kann auf Grundlage der Messungen des Batterieraums und der Batteriemodule berechnet werden. Dies gestattet eine präzise Dosierung der Wärmeleitpaste.

Batterieschalen-Scan: Die zu füllende Lücke kann auf Grundlage der Messungen des Batterieraums und der Batteriemodule berechnet werden. Dies gestattet eine präzise Dosierung der Wärmeleitpaste.

Ein wirtschaftlicher Einsatz von Wärmeleitpasten ist nicht nur thermisch effizient, sondern spart auch Kosten. Bei der Dosierung des Materials ist es unerlässlich, die Passungstoleranzen zwischen Batterieschale und Zellenmodul zu berücksichtigen. Die Toleranzen der verschiedenen Teile führen zu Lücken von 0,5 mm bis zu 3 mm. Im Fertigungsprozess tragen Hersteller oft zu viel Material auf, um sicherzustellen, dass diese Lücken ausreichend gefüllt werden, selbst wenn die maximalen Toleranzen erreicht werden. Daher sind zahlreiche Hersteller, Anlagenbauunternehmer und Dosierungsspezialisten intensiv damit beschäftigt, dafür zu sorgen, dass genau die erforderliche Menge an Material aufgetragen wird. Die Experten bei Atlas Copco entwickeln derzeit eine Lösung für die Messung von Gehäuse und Zellen sowie für eine präzise Bestimmung der Toleranzen an der Lücke zwischen jeder Komponentenkombination unter Einsatz eines 3D-Scanners. Dies gestattet eine Berechnung der Materialmenge, die zum präzisen Füllen der Lücke benötigt wird. Das Volumen wird dann vom Dosiersystem präzise geregelt, anstatt wie bisher die Robotergeschwindigkeit dazu einzusetzen. „Die Anpassung des Volumens über das Steuergerät ist wesentlich präziser. Hinsichtlich des Prozesses stellt es einen großen Vorteil dar, nicht mehr am Roboterprogramm arbeiten zu müssen. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ergeben sich dadurch Materialeinsparungen von bis zu 50 Prozent“, so Mössner.

Einspritzung: Erst die Module befestigen, dann die Lücke füllen

Modulverschraubung: Das Modul wird gleichmäßig auf die Wärmeleitpaste gepresst und dann mit Spezialschraubwerkzeugen von Atlas Copco in Arbeitsstellung festgeschraubt – das Ergebnis ist eine saubere Kontaktfläche ohne Lufteinschlüsse.

Modulverschraubung: Das Modul wird gleichmäßig auf die Wärmeleitpaste gepresst und dann mit Spezialschraubwerkzeugen von Atlas Copco in Arbeitsstellung festgeschraubt – das Ergebnis ist eine saubere Kontaktfläche ohne Lufteinschlüsse.

Einige Hersteller haben sich dafür entschieden, die Wärmeleitpaste in die Lücke einzuspritzen, anstatt die Batteriemodule in die Paste zu pressen. Dabei wird die Lücke von hinten nach vorn gefüllt. Dieser Ansatz kann ebenfalls Material einsparen. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass keine Kraft auf die empfindlichen Batteriezellen ausgeübt und das Risiko von Lufteinschlüssen oder ungleichmäßiger Verschraubung auf dem weichen Material minimiert wird. Der Nachteil besteht darin, dass keine visuelle Inspektion der Fuge möglich ist. Mössner fügte hinzu: „In unserem Innovation Center haben wir bereits einige Tests mit der Einspritzung von Wärmeleitpaste durchgeführt. Die Machbarkeit dieses Ansatzes hängt weitgehend vom Prozess des Kunden und dem individuellen Material ab. Eine Paste mit niedriger Viskosität muss verwendet werden. Wenn die Lücke zu klein ist, muss möglicherweise mit einem höheren Einspritzdruck gearbeitet werden, wodurch die Zellen beschädigt werden können.“

Spezialausrüstung für Abriebschutz

Systemanordnung: Eine typische Systemanordnung aus der Produktlinie SCA von Atlas Copco zum Auftragen von Zweikomponenten-Wärmeleitpaste.

Systemanordnung: Eine typische Systemanordnung aus der Produktlinie SCA von Atlas Copco zum Auftragen von Zweikomponenten-Wärmeleitpaste.

Alle Wärmeleitpasten weisen eine hohe Füllerkonzentration auf, um Wärmeübertragung zu gewährleisten. In der Regel bestehen diese Füller aus Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid, wobei es sich um Abrasivmittel handelt, die zu raschem Verschleiß an den Innenflächen von Anlagenteilen führen können. An Stellen, an denen ein besonders hoher Durchfluss erwartet wird, beispielsweise an Ventilsitzen, können Hartmetallbauteile verwendet werden. Außerdem sollte der Durchmesser der Teile so groß wie möglich sein, um die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren. Dieser Ansatz gestattet eine Verschleißminimierung. Für eine zuverlässige und produktive Handhabung von Wärmeleitpasten sind robuste, speziell entwickelte Pumpen- und Dosierbauteile erforderlich. Die Produktlinie SCA bietet Spezialbauteile mit maximaler Haltbarkeit.

Automobilindustrie Klebe- und Dosiertechnologie Automobilindustrie