So schirmen Leichtbaulösungen Elektronikkomponenten im E-Auto ab

Wo Strom fließt, entstehen häufig elektromagnetische Störfelder. Wo viel Strom fließt, etwa in leistungsstarken elektrischen Antrieben, nimmt auch die Stärke dieser Felder zu, die den Signalfluss sowohl in Mikroprozessoren als auch in Sende- und Empfangsanlagen stören können. Ein probates Gegenmittel ist die Kapselung elektrischer Komponenten in Gehäusen aus leitfähigem Metall. Als Werkstoff dafür hat sich bislang Aluminium bewährt. Allerdings steigt in Elektrofahrzeugen der Aluminiumanteil dadurch erheblich. Das ist nicht nur problematisch, weil Fahrdynamik und Reichweite leiden. Gleichzeitig steigen auch die Kosten, weil die Haltbarkeit der Werkzeuge für die Fertigung der Aluminiumgehäuse begrenzt ist.

Leitfähige Beschichtung für Kunststoffe

Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies haben gemeinsam ein Verfahren entwickelt, Kunststoffe mit leitfähigen Beschichtungen zu versehen. Erste Labortests zeigen hohe Werte für elektromagnetische Abschirmung. Freudenberg

Deutlich leichtere Kunststoffe kamen als Material wegen mangelnder Leitfähigkeit bislang nicht in Frage. Experten von Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies haben daher gemeinsam Verfahren entwickelt, die Kunststoffe mit leitfähigen Beschichtungen oder Vliesen versehen. Erste Labortests zeigen sehr hohe Werte für die elektromagnetische Abschirmung von bis zu 99,999999 Prozent.

Um eine gute Abschirmung in dem für den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen besonders relevanten Frequenzbereich von 150 kHz bis 100 MHz zu erreichen, stehen grundsätzlich zwei technische Wege zur Verfügung. Der erste setzt auf den Effekt, dass sich elektromagnetische Wellen an leitfähigen Oberflächen nahezu vollständig reflektieren lassen. Ein zweiter Weg besteht darin, die elektromagnetischen Wellen bei höheren Frequenzen im Inneren eines Materials abzuschwächen, also praktisch zu absorbieren. Beide Effekte kombinieren zwei von Freudenberg entwickelte Verfahren, die ihre spezifischen Vorteile unter anderem abhängig von der Größe des Bauteils ausspielen.

Vliesstoff für große Bauteile

Für großflächige Bauteile hat Freudenberg Performance Materials einen Vliesstoff entwickelt, der mit einem speziellen galvanischen Verfahren behandelt wird. Dabei sind die einzelnen Fasern des Vlieses rundum von einer Kupferoberfläche ummantelt, und diese wiederum mit einer weiteren Materialschicht vor Korrosion geschützt. Da solche Vliese als Endlos-Meterware produzierbar sind, eignet sich diese Technologie besonders für im Preforming-Verfahren hergestellte Bauteile mit großen Oberflächen – etwa für die Gehäusedeckel von Traktionsbatterien. Das beschnittene Vlies lässt sich dann mit dem ohnehin notwendigen Halbzeug in das Werkzeug eingelegen und verpressen. Beim Aushärten entsteht auf diese Weise ein untrennbarer Verbund. Der Materialverbrauch ist durch die geringe Dichte des Vlieses von nur 60 Gramm pro Quadratmeter – weniger als normales Druckerpapier – äußerst gering. Kombiniert mit dem ohnehin leichteren tragenden Kunststoff ergibt sich gegenüber Aluminiumgehäusen eine Gewichtseinsparung von bis zu einem Drittel. Bei einem Batterie-Gehäusedeckel entspricht das rund fünf Kilo Mindergewicht.

Nicht nur im Antriebsstrang, sondern auch bei der Energie- und Datenverkabelung im Elektrofahrzeug steigen die Anforderungen an deren Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung. Während es bei Energieleitern vor allem darum geht, die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen zu verhindern, sind Datenleitungen vor allem vor Einstrahlung zu schützen, um eine störungsfreie Kommunikation zu sichern. EMI-Abschirmvliesstoffe von Freudenberg Performance Materials erreichen eine Abschirmleistung nach ASTM D-4935 von mehr als 80 dB.

Reflektierende Beschichtung für kleine Komponenten

Für die Abschirmung kleinerer Bauteile hat Freudenberg Sealing Technologies Beschichtungen entwickelt, die elektromagnetische Wellen direkt an der Oberfläche reflektieren. Dafür wird das Kunststoffbauteil mit einer wässrigen Dispersion beschichtet, deren Kunststoffmatrix Füllstoffe mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit enthält. Alternativ lässt sich die Dispersion auch auf eine Kunststofffolie aufbringen, die wiederum in das Spritzguss-Werkzeug eingelegt wird. Die hochleitfähige Beschichtung liegt bei diesem Verfahren innen und ist so vor mechanischen Schäden besonders gut geschützt. Langzeituntersuchungen an Materialproben zeigen, dass solche Beschichtungen auch bei 120 °C ein sehr gutes Alterungsverhalten aufweisen und die Anforderungen der Norm LV 124-2 vollständig erfüllen. Diese Norm legt herstellerübergreifend sowohl die Testverfahren als auch die Grenzwerte für elektrische Komponenten fest, die im Pkw zum Einsatz kommen dürfen. Die abschirmende Beschichtung, das Kunststoffgehäuse und dessen Abdichtung bilden eine Einheit, die idealerweise aufeinander abgestimmt sind. Freudenberg Sealing Technologies bietet solche Lösungen unter dem Motto „Seal & Shield“ an.

Kein Einfluss auf mechanische Eigenschaften

Egal welches Verfahren zum Einsatz kommt: Weder das Beschichten noch die Verwendung des Vlieses beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffbauteils. Wichtig ist das vor allem dort, wo elektrische Bauteile wie Motoren oder Batterien im Fahrzeug so verbaut sind, dass sie bei einem Unfall beschädigt werden können. Aber auch Akustik und Vibrationsverhalten des Bauteils sind allein durch die gut berechenbaren Eigenschaften des Kunststoffs bestimmt. Für manche Anwendungen ist es wichtig, dass die Absorption den Löwenanteil der elektromagnetischen Abschirmung übernimmt. Dies trifft beispielsweise auf die Gehäuse von Radarsensoren zu, die in einem Frequenzbereich von 77 GHz arbeiten. Würden die Radarwellen an der Gehäuseoberfläche reflektiert, dann könnte es zu Signalverzerrungen kommen. Daher hat Freudenberg Sealing Technologies einen Verbundwerkstoff entwickelt, der sich im Spritzgussverfahren verarbeiten lässt und ersten Messungen zufolge sehr viel höhere Absorptionsraten aufweist als handelsübliche Kunststoffe.

Niedrig-frequente Magnetfelder abschirmen

Eine weitere Anwendung besteht in der Abschirmung von niedrig-frequenten Magnetfeldern. So ist bei Hallsensoren die Stärke des äußeren Streufeldes auf eine magnetische Feldstärke im Inneren zu reduzieren, damit sie die Sensorfunktion nicht beeinträchtigt. Erforderlich ist hierfür ein Werkstoff mit hoher relativer Permeabilität und Sättigungsgrenze, der trotzdem in Großserie zu verarbeiten ist. Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, einen speziellen ferromagnetischen Insert zu umspritzen.

In der Entwicklung elektromagnetisch abschirmender Leichtbau-Werkstoffe arbeiten nicht nur Freudenberg Performance Materials und Freudenberg Sealing Technologies eng zusammen. Die beiden Schwestergesellschaften kooperieren bei der Materialentwicklung, aber auch bei der Auswahl geeigneter Testverfahren eng mit Freudenberg Technology Innovation, der zentralen Forschungseinheit der Freudenberg-Gruppe. Die Kooperation soll dem Unternehmen den Weg ins Zeitalter der Elektromobilität ebnen.

(na)