Foto: CRP Technology

3D Printing

3D-Druck bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen

Wie die CRP Technology Zellbehälter für den Prototyp eines Batteriepacks aus Verbundmaterial durch selektives Lasersintern herstellt.

CRP Technology, ein Unternehmen, das seit über 25 Jahren aktiv im Bereich des professionellen 3D-Drucks mit Windform-Materialien ist hat die Energica Motor Company Spa bei der Forschung und Entwicklung von Zellenhaltern für Tests an Prototyp-Batteriepacks für Energica Renn- und Straßenmotorräder unterstützt. Energica ist ein führender Hersteller von Supersport-Elektromotorrädern "Made in Italy" und ein Anbieter auf dem wachsenden Markt der Elektrofahrzeuge.

Die Herausforderung

Die Motorräder von Energica verfügen über eine besonders leistungsstarke Lithium-Polymer-Batterie (Li-NMC). Die Batterie sitzt in einer hermetischen Hülle, die die Zellen, das Batterie-Management-System BMS (Battery Management System) und alle zur Gewährleistung der Fahrzeugsicherheit erforderlichen Vorrichtungen beinhaltet. Darüber hat Energica ein Kühlsystem der hermetischen Hülle zur Vermeidung einer Überhitzung der Batterien entwickelt, patentiert und an seinen Motorräder installiert. Dank spezifischer Belüftungskanäle kann durch diese Technologie die Belastung der Batterien reduziert werden, mit Vorteilen sowohl hinsichtlich der Fahrzeugleistung als auch der Batterielebensdauer. Die Aufrechterhaltung der hohen technologischen Standards von Energica basiert auf einer Studie, die die Forschungs- und Entwicklungsabteilung kontinuierlich an den neuen Zellen, die auf den Markt kommen, durchführt, um ihren Einsatz in der industriellen Produktion zu bewerten. Energica begann mit der Validierung der Einzelzelle (Erstüberprüfung), mit dem Ziel, den Prototyp des Batteriepacks auf der Straße zu testen. In diesem speziellen Fall wurde die Studie an Pouch-Zellen („Beutel“ oder „Kuvert“) durchgeführt. Es handelt sich um sehr dünne Batterien, die keinen starren Behälter haben. Um die Energica vorgesehenen Analysen wirksam durchführen zu können, beschloß das Ingenieurteam, jede einzelne Pouch-Zelle mit einem prismenförmigen Behälter mit stützender und verstärkender Funktion auszustatten. CRP Technology hat das Energica-Ingenieurteam von der ersten Studienphase bis zur Realisierung der Zellenhalter im professionellen 3D-Druck mit Windform unterstützt.

Die Lösung: selektives Lasersintern 

Nach einer eingehenden Analyse der Anforderungen von Energica und der 3D-Dateien der Anwendung entschied sich CRP Technology für den Einsatz der Technologie des selektiven Lasersinterns in Kombination mit dem Material Windform FR2, dem neuen Verbundwerkstoff aus der Familie WindformTop-Line, der flammhemmend und glasfaserverstärkt ist. „Um funktionelle Prototypen von Gehäusen für Pouch-Batterien herzustellen, die in verschiedenen Tests, einschließlich Straßentests, eingesetzt werden sollten“, erklärt Franco Cevolini, Technischer Direktor und Vizepräsident von CRP Technology, „war es von Anfang an notwendig, ein Material mit bestimmten Eigenschaften zu verwenden, nämlich: Kunststoff, elektrisch nicht leitend, steif, temperaturbeständig, flammhemmend“. Es wurde Windform FR2 gewählt, weil es das einzige Material auf dem Markt ist, das all diese Eigenschaften aufweist.
„Im Detail“, erklärt Ingenieur Cevolini, „ist die flammhemmende Eigenschaft sehr wichtig, denn sie garantiert die Selbstverlöschung im Falle von Fehlfunktionen, die zu einer vorübergehenden Spannungsspitze führen könnten, mit der Folge einer lokalen Verschmelzung, gefolgt vom Ausbruch eines Brandes. Cevolini fährt fort: „Nehmen wir ein Beispiel: Wenn ein Brand in einem lokalisierten Teil des Zellbehälters ausbricht und dieses Polymer flammhemmend ist, so würde der Brand erstickt werden. Wenn das Material hingegen nicht flammhemmend ist, so würde dies zu ernsthaften Problemen führen, d.h. die Verbrennung würde in ein Feuer ausarten. Die Verwendung von Windform FR2 verhindert diese Möglichkeit“. Auch die Steifigkeit ist sehr wichtig: „Das Material“, fährt Cevolini fort, „musste eine mechanische Leistung aufweisen, die dem Prototyp-Batteriepack eine Gesamtsteifigkeit garantiert, um die volumetrischen Schwankungen, denen die Zellen während der Lade- und Entladephase ausgesetzt sind, auszugleichen. Es handelt sich um eine Variante, bei der Druck erzeugt wird: Der Zellenhalter musste diesem Druck standhalten können."

Perfekte Kombination aus 3D-Druck und Verbundwerkstoff

Nach der eingehenden Untersuchung der Technologie und des Materials, mit dem die Teile hergestellt werden sollten, und der Beurteilung durch die Energica Motor Company, hat die 3D-Druckabteilung von CRP Technology die Herstellung und Lieferung der Zellenhalter in kurzer Zeit in Angriff genommen. Die Anwendung hat es ermöglicht, eine laut Unternehmen perfekte Kombination aus der Technologie des selektiven Lasersinterns und den Verbundwerkstoffen Windform hervorzuheben. Dank Windform FR2 war möglich, in sehr kurzer Zeit und mit hochleistungsfähigen Ergebnissen hinsichtlich der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften alle vom Energica-Protokoll geforderten Tests und Analysen am Prototyp-Batteriepack durchzuführen. „Wir verlassen uns auf CRP Technology und ihre professionelle 3D-Druckabteilung, weil sie für jede Anforderung das richtige Verbundmaterial haben, insbesondere zur Unterstützung eines komplexen Projekts wie der Elektromotorräder von Energica. Ich spreche nicht von einem gewöhnlichen Motorrad, sondern von einem Elektromotorrad mit Hochspannung und Leistung, das besondere Bedürfnisse hat. CRP Technology ist der richtige Partner, um die Kunden bei ihren täglichen Herausforderungen zu unterstützen“, erklärt Giampiero Testoni, Technischer Leiter der Energica Motor Company.