Thermal Interface Materials spielen in der Elektromobilität zur Wärmeableitung eine wichtige Rolle. Freudenberg Sealing Technologies (FST) hat eine Eigenentwicklung spritzguss- und 2K-fähig gemacht. Diese Innovation läuft seit Kurzem für einen großen Automobilhersteller in Serie und eröffnet FST neue Marktchancen.
Das kennen wir alle: Beim Schnellladen unseres Mobiltelefons fühlt sich das Gerät merklich warm an. Wie beim Smartphone im Kleinen entsteht auch – im Großen – beim Laden eines Elektroautos Wärme. Umso mehr, je mehr Ladestrom fließt. FST hat ein neues, aus zwei Komponenten bestehendes Bauteil entwickelt, dass das Aufladen von Fahrzeugen mit hohen Ladeströmen effizienter und sicherer gestaltet. Für die Alltagstauglichkeit und breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen ist dies wegweisend.
Mit dem „2K Thermal Interface Carrier“ hat das Lead Center Integrated Precision Solutions am Standort Öhringen sein Produktspektrum erweitert. „Mit der Bauteilfreigabe des Kunden haben wir nach mehrjähriger, intensiver Projektarbeit ein wesentliches Ziel in der Prozess- und Materialentwicklung erreicht“, berichtet Christopher Wecht, Key Account Manager Automotive Sales.
Diese Köpfe stecken hinter der Innovation mit dem Namen „2K Thermal Interface Carrier“, die FST neue Marktchancen eröffnet. Hintere Reihe (von links): Christopher Wecht, Edwin Mayer, Joachim Scheufler und Denis Glonning. Vordere Reihe (von links): Suzan Klein, Jürgen Müller und Thomas Müller. Nicht im Bild: Armin Striefler.
Business Development im Bereich Automotive
Denis Glonning, Produktmanager am Standort Öhringen, ordnet die Bedeutung ein: „Das ist ein Meilenstein, insbesondere für unseren Standort, darüber hinaus jedoch auch für FST. Wir haben im Zukunftsmarkt Elektromobilität ein neues Produkt aus einem neu entwickelten Material in Serie gebracht – in einer für uns völlig neuen Anwendung, die wir vor wenigen Jahren noch überhaupt nicht auf dem Schirm hatten.“
Wecht ergänzt: „Durch das neue Material- und Prozess-Know-how aus Öhringen konnten wir einen Neukunden gewinnen und ein neues Anwendungsfeld erschließen.“ Zum Einsatz kommt das innovative Bauteil in Elektrofahrzeugen von Volkswagen, einem der Top-Kunden von FST. Aber dessen Zulieferer, hatte FST bislang noch nicht beliefert. Dieser Neukunde mit Sitz in Deutschland ist auf Fahrzeugelektronik, unter anderem Bordnetze, spezialisiert und zählt weltweit zu den Top 100 der Automobilzulieferer.
Die von FST eigenentwickelten Thermal Interface Materials, kurz TIM, vereinen zwei Eigenschaften: Sie leiten Wärme, sind also thermisch leitfähig, wie es Fachleute ausdrücken; gleichzeitig sind sie elektrisch isolierend. Diesen „Spagat“ macht sich FST in den Hochvolt-Ladedosen der Fahrzeuge zu Nutze.
Die TIM-Komponente des neuen Bauteils leitet die beim Laden entstehende Wärme an Sensoren weiter, ohne dass die Sensoren mit den metallischen Pins der Steckverbindung in Kontakt kommen – das würde zu einem Kurzschluss führen. Das FST-Bauteil füttert sozusagen den Sensor mit thermischen Informationen. Auf deren Basis lässt sich der Ladevorgang kontinuierlich überwachen und verlässlich steuern. „Just-in-time-Monitoring“ für kurze Reaktionszeiten: für maximalen Ladestromfluss beim Schnellladen bei minimalem Überhitzungsrisiko, also erhöhter Sicherheit.
TIM sind grundsätzlich nichts Neues und bieten sich besonders für das Abführen von Wärme an. TIM-Musterplatten aus Öhringener Entwicklung und Fertigung gingen dem neuen FST-Kunden nach ersten Messekontakten und einem TechDay schon 2019 zu. Die Finesse dabei ist, dass FST das wärmeleitende und elektrisch isolierende Material für die konkrete Anwendung spritzgussfähig und 2K-fähig gemacht hat.
„Über ein flaches Pad oder eine Paste lässt sich Wärme nur großflächig verteilen beziehungsweise ableiten. Indem wir unser Bauteil spritzgießen, können wir ihm eine dreidimensionale Struktur verleihen und die Wärme an mehreren Punkten innerhalb des Bauteils ganz gezielt über die vorgegebene Topografie auf kürzestem Weg direkt zum Sensor führen“, veranschaulicht Glonning und fügt hinzu, dass somit auch eine gezielte Kühlung eines Systems möglich sei. Dies erweitert enorm die Anwendungsfelder für das neu entwickelte Material beim Schutz von Elektronik und Elektronikbauteilen.
Zwei Komponenten für zwei Funktionen
Unter dem Titel „Funktionsintegration“ bestand die zweite große Herausforderung darin, das neue TIM mit einem Trägermaterial zu einem 2K-Teil zu verbinden, konkret mit einem auf die Anwendung zugeschnittenen Thermoplast-Grundkörper. Denn neben der Wärmeabführung zur Temperaturüberwachung erfüllt das neue Bauteil eine „tragende Rolle“. Es positioniert und fixiert eine elektronische Komponente im Bauraum, die für das Ladesystem notwendig ist.
Auch diese Hürde hat das Entwicklungsteam mit all seiner Erfahrung in der Multikomponenten-Technologie genommen. Das neu entwickelte TIM wurde nicht nur spritzgussfähig, sondern auch haftfähig gemacht. Durch diese material- und verfahrenstechnische Neuentwicklung vereint das Bauteil zwei Funktionen auf kleinstem Bauraum in sich. „Somit schaffen wir es, neben den technischen Vorteilen auch kundenspezifische Mehrwerte im Bereich des Montageprozesses zu generieren“, erklärt Wecht.
Die Lernkurve in diesem Projekt war steil. Die Zeit war knapp bemessen, und es gab jede Menge zu tun. Ein solcher Millionenauftrag eines Neukunden kommt nicht von ungefähr, sondern von akribischer Entwicklungsarbeit, Schritt für Schritt in einem iterativen Prozess. Wecht ist voll des Lobes für das gesamte Projektteam, das ein für FST neues Marktfeld erschlossen hat. „Das Lead Center in Öhringen hat alle Herausforderungen gemeistert, ein neues Material und Design entwickelt, es prozessfähig gemacht und auch die hohen Qualitätsanforderungen des Kunden erfüllt.“
Zu letzteren zählen neue Prüfungen. „Mit den Prüfanforderungen an Dichtungen sind wir seit Jahrzehnten vertraut. Jetzt testen wir in Öhringen auch neue Parameter wie die Wärmeleitfähigkeit oder elektrische Durchschlagsfestigkeit“, gibt Glonning ein Beispiel.
Die Marktchancen des spritzgussfähigen TIM als Einzelkomponente sowie im Mehrkomponentenverbund sind vielfältig. Zuallererst hat der Neukunde bereits Bauteilvariationen im selben Anwendungsbereich beauftragt und bietet weitere interessante Ansatzpunkte für eine Zusammenarbeit. „Wir haben Vertrauen aufgebaut“, sagt Wecht.
Aber auch viele andere Einsatzfelder sind denkbar, zum Beispiel in Ladesäulen. Oder überall dort, wo Temperaturüberwachung und gezielte Wärmeabführung gefragt sind. In den Worten von Glonning formuliert: „Da steckt viel Know-how drin und steht viel Potenzial dahinter.“
