Präzisions-Metallstanzen für EV-Komponenten: Werkstoffe, Toleranzen und Qualitätsanforderungen

Elektrisch   Fahrzeuge bestehen aus Hunderten winziger Metallkomponenten, die die Energieübertragung ermöglichen, die elektronischen Verbindungen herstellen und über Jahre hinweg extremen Temperaturen und mechanischen Belastungen standhalten. Die meisten dieser Bauteile sind präzisionsgefertigte Metallstanzteile , wie beispielsweise Klemmen und Ladeanschlüsse, die in großen Stückzahlen von Millionen Einheiten pro Jahr hergestellt werden. Bereits eine geringfügige Abweichung in der Ausrichtung einer kleinen Stromleitung oder eines Kontaktpunkts kann zu Spannungsabfall, lokaler oder allgemeiner Wärmeentwicklung oder einem Ausfall der internen Verbindung im Akku führen. Stanzteile in Automobilqualität entsprechen heutzutage den Anforderungen der Norm ISO/IATF 16949.

Viele Zulieferer von Elektrofahrzeugkomponenten halten Toleranzen von bis zu ±0,025 mm (±0,001 Zoll) an wichtigen Kontaktflächen ein. Dieser Artikel beschreibt die Auswahl geeigneter Materialien, die Festlegung von Toleranzvorgaben, Qualitätskontrollen und weitere wichtige Aspekte, die bei der Beschaffung von Stanzteilen für Elektrofahrzeugprojekte zu beachten sind.

Batteriekomponenten und elektrische Kontakte

Akkus gehören wohl zu den anspruchsvollsten Bauteilen von Elektroautos. Zellverbinder, Anschlussklemmen, Kontaktfedern – all diese Komponenten befinden sich in einem versiegelten Akkugehäuse, in dem Temperatur und mechanische Belastung während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs kontinuierlich ansteigen. Lose oder oxidierte Teile im Akku können lokale Überhitzung oder sogar einen Fahrzeugausfall verursachen. Daher sind Toleranzen und die Materialwahl hier wichtiger als fast überall sonst im Fahrzeug.

Kupferanschlüsse und ihre Rolle

Kupferanschlüsse dienen als Leiter für den Stromfluss von einer Komponente zur anderen, wie z. B. Zellen, Modulen und sogar bis hin zum Fahrzeugkabelbaum.

Mit reinem Kupfer und Kupferlegierungen wie C1100,C5191,C7025,C18160,C18150 Der Energieverlust ist minimal. Ihre Leitfähigkeitswerte erreichen nahezu 100 % IACS, was eine geringe Wärmeentwicklung auch unter hoher elektrischer Belastung ermöglicht. Die Dicke der Anschlüsse liegt üblicherweise zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, und die Stanzkanten müssen gratfrei sein, da eine raue Kante den Stromwiderstand und damit die Temperatur an der Materialgrenzfläche erhöht.

Durch die Galvanisierung entsteht eine Schutzschicht:

• Bei normaler Korrosion hilft die Verzinnung sehr, da eine Korrosionsschicht weitere Korrosion verhindert und zudem ein sehr glattes Löten ermöglicht.
• Durch die Versilberung ergeben sich Kontakte mit extrem niedrigem Widerstand, weshalb sie in Hochleistungsanschlüssen wie diesem verwendet werden.
• Nickelplattierte Teile sind korrosionsbeständig an Stellen, an denen im Inneren eines Rucksacks relativ hohe Temperaturen herrschen, was sie gut für den langfristigen Einsatz im Freien macht.

Elektrische Kontakte und Federkonstruktion

Die elektrische Verbindung durch Federkontakte ist ein wichtiger Aspekt für ein funktionierendes und langlebiges Gerät. Geprägte Federkontakte werden so genannt, weil sie an die Splitter von Geschossen erinnern, die bekanntlich auch nach unzähligen Einsteck- und Entnahmezyklen ihre Form behalten. Daher gelten Berylliumkupfer und Phosphorbronze als die besten Werkstoffe für diese Anwendung, da sie ihre Federeigenschaften auch nach wiederholtem Biegen beibehalten.

Ein defekter Federkontakt führt zu einer Wackelkontaktierung. Im Alltag bedeutet das, dass die Kontrollleuchten im Armaturenbrett unregelmäßig aufleuchten oder der Akku nicht richtig geladen wird, was später auffällt und erhebliche Probleme verursacht.

Stromschienen   und Ladeanschlüsse

Die Verwendung von Stromschienen zum Transport großer Strommengen zwischen Akkus, Wechselrichter und Motor ist weit verbreitet. Geprägte Stromschienen bieten im Gegensatz zu Kabelbäumen einen festen Pfad mit sehr niedrigem Widerstand, der höhere Ströme auf deutlich kleinerem Raum leiten kann.

Die meisten Stromschienen für Elektrofahrzeuge bestehen aus 1 mm bis 4 mm dickem Kupfer- oder Aluminiumblech. Nach dem Stanzen werden sie so umgeformt, dass sie perfekt in die Anordnung des Akkus passen.

Ein Ladeanschluss stellt unterschiedliche Anforderungen an seine Verkabelung.

Manchmal überträgt ein DC-Schnellladeanschluss über 350 kW über Stifte, die so klein wie eine Bleistiftspitze sind; erst dann wird deutlich, wie wichtig ein Anschluss aus Kupfer oder gestanztem Metall ist, der eine saubere Oberfläche und eine sehr präzise Passform im Inneren aufweist, um während des Ladevorgangs Lichtbögen oder Überhitzung zu vermeiden.

Zu den Teilen, die Fortuna Metals für das Laden von Schusswaffen herstellt, gehören die Kupferanschlüsse für Programme für neue Energiefahrzeuge, bei denen das Unternehmen enge Toleranzen einhalten muss, da unsere Steck- und Trennzyklen immer wieder stattfinden.

Wichtige Spezifikationen, die bei Stromschienen zu überprüfen sind

Wenn Sie die Genehmigung des Stromschienendesigns beantragen möchten, sollten Sie nicht vergessen, die folgenden Spezifikationen vom Lieferanten anzufordern:

Prüfen Sie, ob die aktuelle Kapazität nicht nur auf der durchschnittlichen Nutzung basiert; die tatsächlichen Betriebsbedingungen sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

• Beschichtungsdicke von Kontaktflächen, typischerweise gemessen in Mikrometern
• Gleichmäßigkeit über die gesamte Länge der Stromschiene, da ein gebogenes Stück zu unterschiedlichen Kontaktdrücken führt.
• Isolierbeschichtung, wenn ein Teil der Stromschiene in die Nähe anderer leitfähiger Teile kommt.

Materialauswahl für Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit

Sie haben vielleicht schon gehört, dass Materialien, die für verschiedene Komponenten von Elektrofahrzeugen verwendet werden, Batteriechemikalien, Streusalz und Kühlmittel ausgesetzt sind, ganz zu schweigen von der ständigen Bewegung aufgrund von Vibrationen, die mit dem Fahren dieser Autos einhergehen.

Bei der Materialauswahl müssen daher neben Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit über einen langen Zeitraum auch die Leitfähigkeit berücksichtigt werden. Jedes Bauteil, das vorzeitig ausfällt, verursacht hohe Kosten im Rahmen der Garantieabwicklung und kann, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, sogar lebensbedrohliche Situationen hervorrufen.

Kupfer   Leiter weisen die beste elektrische Leitfähigkeit auf, müssen aber zum Schutz vor Feuchtigkeit im Inneren eines Akkus beschichtet oder verzinnt werden. Aluminium ist weniger leitfähig, aber deutlich leichter – ein Vorteil bei Elektrofahrzeugen, wo das Gewicht des Akkus die Reichweite direkt beeinflusst. Häufig sieht man Halterungen aus Edelstahl, die die Akkumodule aufnehmen, da hier mechanische Festigkeit und Rostbeständigkeit wichtiger sind als die elektrische Leitfähigkeit.

Maßgenauigkeit in der Fertigung

Die Fahrzeuge für den Ride-Sharing-Betrieb müssen eine lange Lebensdauer haben, während gleichzeitig die Batterieproduktion läuft. Daher ist eine gleichbleibende Qualität der gefertigten Teile unerlässlich. Das heißt, ein Lieferant muss sicherstellen, dass die Toleranzen für Teil Nr. 1 und Teil Nr. 1 Million identisch bleiben. Maßgenauigkeit wird durch die Kontrolle des Werkzeugverschleißes, die Wartung der Pressen und die kontinuierliche Qualitätskontrolle während des Produktionsprozesses erreicht. Bei der Auswahl eines Lieferanten sollten diese Aspekte berücksichtigt werden.

• Prozessregelkarten sollten nur für kritische Dimensionen verwendet werden.
• Verwenden Sie eine Koordinatenmessmaschine zur Qualitätskontrolle jeder produzierten Charge.
• Die Werkzeugwartung sollte anhand der Hubzahlen und nicht nur durch Sichtprüfung erfolgen.
• Lieferanten von Batteriemodulen sollten nach der Musterphase und vor der Serienproduktion Erstmusterprüfberichte für alle neu entwickelten Werkzeuge vorlegen.

Ein Lieferant, dem solche Kontrollen fehlen, könnte Teile liefern, die am ersten Tag den Spezifikationen entsprechen, aber bis zum sechsten Monat allmählich von den Spezifikationen abweichen, was zu Problemen in der Montagelinie führt, die weit entfernt von der Stanzpresse auftreten.

Halterungen und Bauteile zur strukturellen Unterstützung

Nicht alle Stanzteile in einem Elektrofahrzeug führen Strom. Halterungen dienen hauptsächlich der Befestigung der Batteriemodule, Kabelbäume und Kühlleitungen im Fahrzeug während der gesamten Nutzungsdauer. Diese Teile sind ständigen Vibrationen durch die Fahrt und Temperaturschwankungen aufgrund der Nähe der Akkus ausgesetzt. Daher ist die Materialermüdungsbeständigkeit ebenso wichtig wie die Festigkeit. Sowohl Edelstahl als auch beschichteter Kohlenstoffstahl werden häufig für Halterungen verwendet; die Materialwahl hängt in der Regel von Gewichtsbeschränkungen und der Korrosionsgefährdung des Montageorts ab.

Die wichtigsten Qualitätsanforderungen

IATF 16949 ist ein Qualitätsstandard, der speziell von Zulieferern in der Automobil- und Teilelieferkette angewendet wird. Zulieferer, die nach IATF 16949, ISO 9001 und ISO 14001 (Umweltmanagementsysteme) zertifiziert sind, haben mehrere Audits erfolgreich durchlaufen, die Prozesskontrolle, Rückverfolgbarkeit und kontinuierliche Verbesserung umfassten. Fortuna Metals ist nach IATF 16949:2016, ISO 9001:2015 und ISO 14001:2015 zertifiziert. Das Unternehmen ist ein zertifizierter Stanzbetrieb mit über 80 Stanzpressen für Stanzvorgänge von 25 bis 300 Tonnen und über 40 CNC-Maschinen für weitere Bearbeitungsaufgaben.

Neben der Zertifizierung gibt es weitere Lieferantenbezogene Aspekte, die Sie kennen sollten:

• Materialrückverfolgbarkeit ab dem Werkszeugnis für jede Spule oder Coil
• Umweltkonformität und Berichterstattung, einschließlich CBAM für in die EU gelieferte Teile
• Wenn eine Matrize nachjustiert werden muss, verkürzt sich die Wartezeit möglicherweise; daher kann die Fähigkeit zur Konstruktion und Reparatur von Werkzeugen vor Ort unerlässlich sein.
• Wenn eine Komponente für ein Elektrofahrzeug aus mehreren Ländern exportiert und dann in der Endmontage zusammengefügt wird, benötigt man wahrscheinlich ein Unternehmen mit internationaler Exporterfahrung.

Schlussbetrachtung

Teile   Die Herstellung von Bauteilen für Elektrofahrzeuge erfordert typischerweise ein hochpräzises Stanzverfahren, um die empfindlichen Komponenten präzise fertigen zu können. Für jeden Stanzbetrieb ist es eine anspruchsvolle, aber unerlässliche Aufgabe, die gleichbleibende Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Maßhaltigkeit einer Vielzahl von Bauteilen über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Die Zusammenarbeit mit einem Lieferanten, der über relevante Automobilzertifizierungen, eigene Werkzeugfertigung und langjährige Erfahrung mit Produkten wie Kupferklemmen, Stromschienen und Ladeanschlüssen verfügt, bietet Ihrem Projektentwicklungsprogramm von der Prototypenphase bis zur Serienproduktion eine solidere Grundlage.

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Häufig gestellte Fragen

1. Welche Toleranz benötigen gestanzte Teile für Elektrofahrzeuge üblicherweise?

Die wichtigsten Bauteile, wie z. B. Kontakte, unterliegen deutlich engeren Toleranzen von ±0,001 bis ±0,003 Zoll. Bauteile der allgemeinen Industrie weisen üblicherweise nicht so enge Toleranzen auf!

2. Warum wird Kupfer für EV-Anschlüsse und Stromschienen verwendet?

Um bei hohen Strombelastungen einen sehr niedrigen Widerstand zu gewährleisten, ist Kupfer mit 100% Leitfähigkeit die beste Wahl.

3. Welche Zertifizierung sollte ein Zulieferer von Elektrofahrzeugteilen besitzen?

IATF 16949:2016-Zertifizierung sowie ISO 9001:2015- und ISO 14001:2015-Zertifizierungen für Qualitätsmanagement- und Umweltmanagementsysteme

4. Welche Dicke haben typische Stromschienen, die in EV-Batteriepacks verwendet werden?

Die meisten davon sind zwischen 1 mm und 4 mm dick und variieren je nachdem, wie viel Platz zur Verfügung steht und wie hoch die Strombelastung des Bauteils sein wird.

5. Warum ist Maßgenauigkeit bei der Produktion von Elektrofahrzeugen so wichtig?

Da die Produktionsläufe von Elektrofahrzeugen sehr lang sind und Teile in sehr großen Mengen benötigt werden, können selbst geringfügige Abweichungen, die sich im Laufe der Zeit anhäufen, langfristig zu Montageproblemen und ernsthaften Sicherheitsrisiken führen.