Sauberkeitsansprüche der Elektromobilität

Der Wandel der Mobilität führt nicht nur in der Automobil- und Zulieferindustrie zu neuen und veränderten Anforderungen, er hat auch Auswirkungen auf die industrielle Teilereinigung. Neben partikulären Verunreinigungen spielen filmisch-chemische Kontaminationen durch die Oberflächenanforderungen nachfolgender Prozesse wie Kleben, Schweißen und Abdichten eine größere Rolle. Darüber hinaus rückt die technische Sauberkeit von Fertigungs- und Montagelinien sowie von Produktionsmitteln stärker in den Fokus, um Re- und Cross-Kontaminationen zu vermeiden.

Elektromotor, Energiesystem in Form einer Traktionsbatterie oder Brennstoffzelle und Leistungselektronik sind die drei wesentlichen Komponenten, die ein Elektrofahrzeug von einem mit Verbrennungsmotor unterscheidet. Bei jedem dieser Systeme bestehen spezifische Herausforderungen an die Sauberkeit. So geht es beim Elektromotor zunächst um die technisch saubere Herstellung der einzelnen Bauteile wie beispielsweise Stator, Rotor und Gehäuse. Die Reinigungstechnik bietet für diese Aufgabenstellungen entsprechende, meist nass-chemische Lösungen, mit denen sich selbst sehr hohe partikuläre Sauberkeitsspezifikationen erfüllen lassen. Sauberkeitsprobleme tauchen jedoch häufig bei der Endmontage von beispielsweise Statoren in Form von metallischen und nicht-metallischen Partikeln aus Vorprozessen auf. Für deren Entfernung werden trockene Reinigungslösungen benötigt, die einfach – bei Bedarf auch nachträglich – in die Montagelinie integriert werden können sowie eine effektive, automatisierte Einzelteilreinigung im Fertigungstakt ermöglichen. Ein Aspekt, der dabei auch bedacht werden sollte, ist die Sauberkeit der Produktionsmittel wie Handhabungssysteme und Greifer, um Rekontaminationen zu vermeiden.

Die Traktionsbatterie in Form von Lithium-Ionen-Akkus ist das heute in Elektrofahrzeugen bevorzugte Energiesystem, auf das ein entscheidender Teil der Wertschöpfung entfällt. Reinigungsprozesse sind in der Serienproduktion der Akkus vor beziehungsweise nach Fertigungsschritten möglich. Dies beginnt bei der Fertigung der Elektroden mit der Reinigung des Substrats vor dem Beschichten, reicht über die Reinigung der Elektrodensheets nach dem Vereinzeln durch Stanzen oder Laserschneiden und endet in der Batteriepackmontage mit der Vorbereitung der Klebeflächen des Batteriepackdeckels nach dem Integrieren der Module. Als sicherheitsrelevanter Prozess in der Batteriemodul-Fertigung gilt die Verschaltung der Zellen durch das elektrische Verbinden der Kontaktflächen mit dem Ableiter, beispielsweise durch Ultraschallbonden. Mit Partikeln und filmischen Rückständen kontaminierte Fügebereiche können zu einer unzureichenden Kontaktierung führen, durch die sehr hohe Übergangswiderstände entstehen und als Folge davon eine Überhitzung. Beim Zusammensetzen der Batteriezellen zu Akkupacks und der Integration in die Akkuwanne gelten Partikel mit einer Größe von mehreren hundert Mikrometern als kritisch. Hohe Sauberkeitsanforderungen an Prozesse, Produktionsmittel und Umfeld stellt auch die Herstellung von Brennstoffzellen. Deren zentrale Komponente, die Bipolarplatte, besteht aus einer Anode und Kathode, die unter anderem aus dünnen Edelstahlblechen hergestellt werden. Fertigungsschritte dabei sind Umformen, Schneiden, Fügen und Beschichten. Da das Ausgangsmaterial verschmutzt sein kann und bei den ersten drei Prozessen Rückstände aus der Bearbeitung zurückbleiben, können auch hier mehrere Reinigungsschritte erforderlich sein. Denn Partikel von wenigen 10 µm Dicke können Undichtigkeiten und Leckagen verursachen.

Die Leistungselektronik sitzt in einem Gehäuse zwischen Batterie und Elektromotor und ist quasi die Schaltzentrale des Elektrofahrzeugs. Die Inverter genannte Komponente wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in vom Elektromotor benötigten Wechselstrom um. Die in der Leistungselektronik verbauten elektronischen Baugruppen wie Halbleiter und elektromechanische Komponenten stellen sehr hohe Sauberkeitsanforderungen an das Produktions- und Montageumfeld. Durch die im Betrieb auftretenden hohen Spannungen und Ströme und den daraus resultierenden Leistungen können hier nicht nur metallische Partikel zum Problem werden, sondern auch Fasern, welche durch die Aufnahme von Feuchtigkeit kritisch werden. Ein Reinraum ist hier bei vielen Anwendungen erforderlich.

Ob für Überwachungsaufgaben oder Assistenzsysteme beziehungsweise autonomes Fahren – der Bedarf an hochwertigen optischen und optoelektronischen Systemen wie kamerabasierte Sensoren wächst. Die fehlerfreie Funktion dieser Systeme unter allen Bedingungen und Temperaturen wird entscheidend durch die partikuläre und filmische Sauberkeit der Optiken und elektronischen Komponenten als auch der Gehäuseteile bestimmt. Hier können bereits wenige Mikrometer große Partikel und feinste filmische Schichten sowie Ausgasungen aus Komponenten zu einer Abschwächung von Signalen und Fehlinformationen führen. Erforderlich in Elektrofahrzeugen ist auch ein komplexes Wärmemanagement. Es ist für die Kühlung der Batterie, des Motors und der Leistungselektronik auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ebenso zuständig wie für die Klimatisierung des Innenraums. Bei der Reinigung der Komponenten für dieses ausgeklügelte Management der im E-Fahrzeug anfallenden Wärmeströme sind ebenfalls hohe Sauberkeitsanforderungen zu erfüllen.

Reichweite ist ein wesentliches Kriterium bei Elektroautos, das Gewicht von Strukturbauteilen hat daher eine hohe Relevanz. Andererseits ist eine hohe Steifigkeit und Festigkeit der Karosserie erforderlich. Daraus resultiert ein verstärkter Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Hybridmaterialien. Gleichzeitig verändern sich die Fügetechnologien – es wird mehr geklebt und geschweißt. Diese Verbindungsprozesse erfordern eine optimal abgestimmte Vorbereitung der Oberflächen. Je nach Material und Fügeverfahren sind dabei auch filmische Verunreinigungen, die durch Zerspanen und Umformen in die Oberfläche eingearbeitet wurden, zu entfernen. Die Auswahl des richtigen Reinigungsverfahrens – nasschemisch, eventuell verbunden mit einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit oder eine partielle Behandlung der Verbindungsstellen direkt vor oder integriert in den Fügeprozess – hat dabei wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Verbindung.

Durch die Elektromobilität ergeben sich für OEM und Zulieferer auch in der Bauteilreinigung neue und veränderte Aufgabenstellungen. Für eine optimale und wirtschaftliche Lösung empfiehlt es sich, die Reinigungsaufgabe nicht isoliert zu betrachten, sondern die gesamte Fertigungskette zu betrachten und ebenso die Sauberkeit der Produktionsmittel und -umgebung. Dies erfordert häufig ein prozessorientiertes Umdenken. Welche Möglichkeiten es hier gibt sowie welche Lösungen rund um die industrielle Teilereinigung infrage kommen, erfahren Besucher auf der Parts 2 Clean. Die internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung findet vom 11. bis 13. Oktober 2022 auf dem Stuttgarter Messegelände statt. Sie ermöglicht umfassende Informationen über Reinigungssysteme, -verfahren und -medien, Qualitätssicherungs- und Prüfverfahren, Reinigungs- und Transportbehältnisse, Entsorgung und Wiederaufbereitung von Prozessmedien, Handling und Automation, Dienstleistung, Beratung, Forschung und Fachliteratur. Begleitend dazu findet ein dreitägiges Fachforum statt.