DE102022121353B4 - Injektionsanordnung zur Zuführung von viskosem Füllmaterial sowie Verfahren zur Injektion - Google Patents

Injektionsanordnung zur Zuführung von viskosem Füllmaterial sowie Verfahren zur Injektion Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Injektionsanordnung zur Zuführung von viskosem Füllmaterial (4) ausgehend von einer Zuführquellenanordnung für das viskose Füllmaterial (4) in eine abgeschlossene, abgedichtete Gehäuseanordnung (6) mit mindestens einer Zuführöffnung (12) und mindestens einer Luftablassöffnung, wobei mindestens ein Angussdüsenorgan (8) und ein Koppelorgan (10) vorgesehen sind, wobei das Angussdüsenorgan (8) einen Zuführkanal (16) mit einer Längsachse LZK aufweist und über das Koppelorgan (10) lösbar fluiddicht mit der Zuführöffnung (12) in der Gehäuseanordnung (6) verbindbar ist, wobei am Angussdüsenorgan (8) eine fluidisch mit dem Zuführkanal (16) verbundene Rücksauganordnung (18) vorgesehen ist, die einen Rücksaugkanal (20) und eine Rücksaugvorrichtung (22) aufweist, wobei deren Längsachse LRK koaxial zur Längsachse LZK verläuft. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Injektion von viskosem Füllmaterial (4) in die Gehäuseanordnung (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Injektionsanordnung zur Zuführung von viskosem Füllmaterial in eine Gehäuseanordnung beispielsweise eines Batteriemoduls. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Injektion von viskosem Füllmaterial in die Gehäuseanordnung.
  • Bei Gehäuseanordnungen beispielsweise von Batteriemodulen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen, muss die einzelne Batteriezelle bei der Leistungsaufnahme oder der Leistungsabgabe möglichst optimal temperiert werden, um eine Beschädigung der Zelle zu vermeiden. Hierzu wird in den Batteriemodulen zwischen die Batteriezelle und einer meist metallischen Gehäuseinnenwand ein sehr gut wärmeleitfähiges viskoses Füllmaterial (auch als Gapfiller bezeichnet) eingebracht, um den Wärmeübergang von Batteriezelle zum eigentlichen Wärmeübertragungsmedium zu gewährleisten. Hierbei übernimmt das Füllmaterial zusätzlich noch die Aufgabe, fertigungsbedingte Toleranzen der Gehäuseanordnung, und auch der Batteriezellen selbst, auszugleichen, um eine optimale Anbindung der wärmeableitenden Batterieflächen mit der Gehäuseanordnung sicherzustellen.
  • Bei sogenannten integralen Gehäuseanordnungen, die eine an sich geschlossene Geometrie darstellen, erfolgt die Injektion des viskosen Füllmaterials durch eine oder mehrere Zuführöffnungen in die vorhanden, gekapselten Spalten zwischen den Batterieoberflächen und der Gehäuseinnenwand. Die Zuführöffnung sollte derart gewählt werden, dass der Injektionsvorgang nicht durch unterschiedliche Zellgeometrien oder andere geometriebeeinflussende Toleranzen im Befüllvorgang behindert wird. Bevorzugt wird von einer Stirnseite injiziert, so dass das Füllmaterial dann, idealerweise über einen Verteiler, flächig, gegen die Schwerkraft, in der Form befindliche Luft nach oben zu einer Luftablassöffnung hin verdrängt. Es ist wünschenswert, dass eine einheitliche Fliessfront entsteht, da stark voreilende Bereiche der Fliessfront dazu führen können, dass Luftblasen eingeschlossen werden und so das Batteriemodul, aufgrund unzureichender lokaler Zellkühlung, als Ausschuß aussortiert werden muss. Der stirnseitige Anguss hat den Vorteil einer einfacheren Fliessfrontgestaltung, er besitzt jedoch auch den Nachteil, dass der, das viskose Füllmaterial antreibende, Injektionsdruck linear mit dem Fließweg ansteigt. An der Zuführöffnung liegt somit der höchste Injektionsdruck an, der dann dazu führen kann, dass in diesem Bereich befindliche Batteriezellen lokal über ihre zulässige Druckbelastungsgrenze beaufschlagt werden. Auch werden durch den Injektionsdruck Dichtungen, die die Aufgabe haben das Füllmaterial nur im Bereich des Wärmeübergangs an das Modulgehäuse anzukoppeln, stark beansprucht.
  • Eine andere Möglichkeit ist die flächenseitige (oder auch zentrale) Injektion von Füllmaterial. Vorteilhafterweise wird hier die mindestens eine Zuführöffnung in der Mitte der Projektion des zu füllenden Volumens positioniert, da so der Fließweg und damit auch der Injektionsdruck bei gleicher Geometrie, im Vergleich zu einer stirnseitigen Injektion, halbiert wird. Während des Injektionsvorgangs herrscht im einfließenden Medium ein Druckgradient, der am Injektionspunkt den Maximalwert und an der Fließfront den Minimalwert aufweist. Wenn der Zustand der volumetrischen Füllung erreicht ist, steigt der Injektionsdruck je nach Injektionsstrategie unterschiedlich schnell und in unterschiedlicher Intensität an. Man unterscheidet hier grundsätzlich zwischen einer druck- und einer volumenstromgeregelten Injektionsstrategie, wobei beide Strategien auch gleichzeitig angewendet werden können.
  • Bei der Druckregelung wird der Injektionsdruck als Sollgröße vorgegeben und der gemessene Injektionsdruck wird als Istgröße dazu geregelt. Diese Strategie führt dazu, dass die Fließfrontgeschwindigkeit nicht konstant ist, sondern von Injektionsbeginn (Geschwindigkeitsmaximum) zum Injektionsende (Geschwindigkeitsminimum) hin abnimmt. Diese Strategie stellt sicher, dass der Injektionsdruck zu keinem Zeitpunkt, die durch die Batteriezellen vorgegebene maximale Druckbelastung, übersteigt. Diese Sicherheit wirkt sich negativ in Form von größeren Injektionszeiten, im Vergleich zur Volumenstromregelung, aus.
  • Bei der Volumenstromregelung wird das injizierte Volumen pro Zeiteinheit als Sollgröße festgehalten und der von der Injektionseinheit bereitgestellte Volumenstrom als Istgröße geregelt. Dies bedeutet, dass der Injektionsdruck bei der volumetrischen Füllung stark ansteigen kann. Dieser Anstieg ist eine Funktion der, das zu füllende Volumen bildenden Geometrielandschaft, welche die einzelnen, nebeneinander angeordneten Batteriezellen generieren. Sind, beispielsweise auf Grund der sich durch die Produktion der Zellen einstellenden Toleranzen der Zellhöhe nur, im Verhältnis zum Nominalmaß, Zellen am oberen Toleranzband verbaut, ist der Spalt zwischen Zelloberfläche und Modulwand verhältnismäßig klein. Dies bedingt, dass das viskose Füllmaterial bei konstantem Volumenstrom höhere Injektionsdrücke zum Füllen des Volumens benötigt, der Spalt jedoch auch schneller gefüllt wird (im Vergleich zum Nominalspalt).
  • Da die Steuerung des Injektionsvorgangs in allen Fällen nicht optisch erfolgen kann (undurchsichtiges Modulgehäuse) und da das Einbringen von Sensorik in das Modulgehäuse zur Detektion des Injektionsprozessstatus nicht wirtschaftlich ist, kann man zur Prozessregelung nur auf, durch externe Sensorik generierte, Ist-Prozesswerte zurückgreifen.
  • Volumenstrom, als auch Druckistwerte, müssen möglichst nahe am eigentlichen Injektionspunkt aufgenommen werden, damit die anlagenseitigen Störeinflüsse auf diese Istgrößen möglichst klein gehalten werden können. Da jedoch, bedingt durch die Toleranzfelder von Zellen und Profilgehäuse, kein gleichbleibendes Füllvolumen je Injektionsvorgang vorliegt, kann das injizierte Volumen nur als Hilfsprozessgröße in Bezug auf eine Qualitätssicherung des Injektionsprozesses herangezogen werden. Aus dieser Tatsache ergibt sich, dass in jedem Fall ein Überdruck in dem mit Füllmaterial gefüllten Volumen entsteht. Nach Abschalten der Injektion kann dieser Überdruck, bei vorheriger volumetrischer Füllung, nicht auf Umgebungsdruck absinken, solange kein Volumenausgleich zur Druckabsenkung eintritt. Diese Druckabsenkung geschieht z.B. dann, wenn das Angussdüsenorgan von der Zuführöffnung abgekoppelt wird und so das überschüssige Volumen entweichen kann. Je nach Viskosität und dem rheologischen Verhalten des Füllmaterial kann dies sehr schnell oder auch etwas langsamer geschehen.
  • Zusätzlich führt der Überdruck zu elastischem Ausbeulen der Gehäuseanordnung, wodurch die mit Füllmaterial zu füllende Kavität noch mehr mit Füllmaterial überladen wird und deshalb noch zusätzliches Füllmaterial beim Abkoppeln durch die Zufuhröffnung austritt.
  • Dieses ausgetretene Füllmaterial muss aufgenommen werden und dann muss die Oberfläche zusätzlich gereinigt werden. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte bedingen, insbesondere bei einem Großserieneinsatz einen hohen Zeit- und damit Kostenaufwand.
  • Aus dem Stand der Technik, wie zum Beispiel der US 4 516 702 A , der DE 10 2004 032 273 B4 oder auch der EP 1 147 820 B1 sind Auftragsvorrichtungen von Dichtmaterial, beispielsweise für Wafer bekannt, die jeweils aufwendige Rücksauganordnungen aufweisen, um nach Abschluss des Auftragsvorganges überschüssiges Material zurückzusaugen. Des Weiteren ist aus der CN 1 01 088 626 A eine Injektionsanordnung bekannt, die einen Zuführkanal mit einer Längsachse LZK und einen Rücksauganordnung mit einer koaxial zur Längsachse LZK verlaufenden Längsachse LRK aufweist, wobei die Rücksauganordnung lediglich zum Befüllen der Injektionsanordnung vorgesehen ist. Derartige Auftragsvorrichtungen sind jedoch zum Einsatz bei einer Injektionsanordnung zur Injektion von viskosem Füllmaterial in eine Gehäuseanordnung nicht geeignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Merkmale auf einfache und kostengünstige Art und Weise zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Injektionsanordnung zur Zuführung von viskosem Füllmaterial ausgehend von einer Zuführquellenanordnung für das viskose Füllmaterial in eine abgeschlossene, abgedichtete Gehäuseanordnung mit mindestens einer Zuführöffnung und mindestens einer Luftablassöffnung, wobei mindestens ein Angussdüsenorgan und ein Koppelorgan vorgesehen sind, wobei das Angussdüsenorgan einen Zuführkanal mit einer Längsachse LZK aufweist und über das Koppelorgan lösbar fluiddicht mit der Zuführöffnung in der Gehäuseanordnung verbindbar ist, wobei am Angussdüsenorgan eine fluidisch mit dem Zuführkanal verbundene Rücksauganordnung vorgesehen ist, die einen Rücksaugkanal und eine Rücksaugvorrichtung aufweist, wobei deren Längsachse LRK koaxial zur Längsachse LZK verläuft, wobei die Rücksauganordnung als Rücksaugvorrichtung einen im als Rücksaugkanal ausgebildeten Zuführkanal des Angussdüsenorgans beweglich gelagerten Hohlkolben und ein hiermit zumindest in einer Richtung zusammenwirkendes Antriebsorgan aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Injektionsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie sehr einfach und kostengünstig herstellbar und einsetzbar ist, wobei das aufgrund des Restdruckabbaus austretende Fluidmaterial besonders einfach aufgefangen werden kann. Hierbei kann das Antriebsorgan ein Federorgan aufweisen, das naturgemäß lediglich in einer Richtung wirkt und das somit den Hohlkolben durch Einwirkung beispielsweise eines Roboterarmes unter Vorspannung gegenüber dem Ansaugdüsenorgan hält, wobei hierdurch das Angussdüsenorgan auch gegen die Gehäuseanordnung gedrückt werden kann. Hierbei kann das Angussdüsenorgan Teil eines Roboterarms einer automatisierten Fertigungsanlage sein. Die Kraft, die ausgeübt werden muss, um den Hubkolben gegen das Federorgan zu bewegen, kann hierbei vom Roboterarm ausgeübt werden. So kann dann beispielsweise nach Abschluss des Injektionsvorganges eine Rückhubbewegung durch den Roboterarm in Richtung der Federkraft stattfinden, um den Rücksaugkanal und das damit verbundene Rücksaugvolumen freizugeben. In einer alternativen Ausführungsform kann das Antriebsorgan ein Aktuator sein.
  • In einer besonders einfachen Ausführungsform der Injektionsanordnung ist das Koppelorgan am Angussdüsenorgan vorgesehen. Alternativ kann das Koppelorgan auch als Einzelteil ausgebildet sein, das in die Zuführöffnung einsetzbar ist.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Injektion von viskosem Füllmaterial mittels einer derartigen Injektionsanordnung, wobei in einem ersten Schritt das Angussdüsenorgan über das Koppelorgan mit der Zuführöffnung fluiddicht gekoppelt wird, dass in einem zweiten Schritt der Injektionsvorgang des viskosen Fluidmaterials gestartet wird, dass in einem dritten Schritt der Injektionsvorgang über eine Volumenstromregelung mit einem vorbestimmten Volumen pro Zeiteinheit als Sollgröße und/oder über eine Druckregelung mit einem vorbestimmten Injektionsdruck als Sollgröße überwacht wird, dass in einem vierten Schritt der Injektionsvorgang bei Erreichen der Sollgröße gestoppt wird, dass in einem fünften Schritt die Rücksaugvorrichtung betätigt wird, derart, dass ein Rücksaugvolumen bereitgestellt wird und dass in einem sechsten Schritt das Angussdüsenorgan abgekoppelt wird, wobei bei integriertem Koppelorgan das Koppelorgan von der Zuführöffnung abgekoppelt wird oder beim Koppelorgan als Einzelteil das Angussdüsenorgan vom Koppelorgan gelöst wird.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:
    • 1 eine schematische Schnittansicht einer an eine Gehäuseanordnung angeschlossene Injektionsanordnung in einer ersten Position, und
    • 2 eine schematische Schnittansicht einer an eine Gehäuseanordnung angeschlossene Injektionsanordnung in einer zweiten Position.
  • Eine erfindungsgemäße, in 1 und 2 dargestellte Injektionsanordnung 2 zur Zuführung von viskosem Füllmaterial 4 in eine abgeschlossene, abgedichtete Gehäuseanordnung 6 weist im Wesentlichen ein Angussdüsenorgan 8 und ein Koppelorgan 10 auf. Das Koppelorgan 10 ist hierbei lösbar fluiddicht mit einer Zuführöffnung 12 eines Seitenwandteils 14 der Gehäuseanordnung 6 verbunden. Das Angussdüsenorgan 8 ist über eine nicht weiter dargestellte Injektionslanze mit einer Zuführquellenanordnung fluidisch verbunden, um das viskose Füllmaterial 4 über einen Zuführkanal 16 mit einer Längsachse LZK zur Zuführöffnung 12 zu führen. Dabei kann das viskose Füllmaterial beispielsweise ein 1K- oder aber auch 2K-Gapfiller sein.
  • Um nun ein ungewolltes Austreten des Füllmaterials 4 nach Abschluss des Injektionsvorgang zu verhindern, ist eine fluidisch mit dem Zuführkanal 16 verbundene Rücksauganordnung 18 vorgesehen, wobei der Zuführkanal 16 einen Rücksaugkanal 20 ausbildet. Im Zuführkanal 16 ist zudem eine Rücksaugvorrichtung 22 vorgesehen, deren Längsachse LRK koaxial zur Längsachse LZK verläuft. Die Längsachsen beziehen sich hierbei jeweils auf die jeweiligen Fluidkanäle 16, 20. Die Rücksaugvorrichtung 22 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel hierbei im Wesentlichen aus einem Antriebsorgan 24 und einen hiermit zusammenwirkenden, im Zuführkanal 16 beweglich angeordneten Hohlkolben 26. Das Antriebsorgan 24 besteht im vorliegenden Fall im Wesentlichen aus einem Federorgan 24 und einem hiermit zusammenwirkenden, nicht weiter dargestellten Roboterarm. Das Federorgan 24 wirkt naturgemäß lediglich in eine Richtung und hält somit den Hohlkolben 26 durch Einwirkung des Roboterarmes unter Vorspannung gegenüber dem Angussdüsenorgan 8, wobei hierdurch das Angussdüsenorgan 8 auch gegen die Gehäuseanordnung 6 gedrückt werden kann.
  • 1 zeigt nun die Injektionsanordnung 2 während eines Injektionsvorganges. Der Hohlkolben 26 befindet sich hier in einer vorderen Stellung. Das Füllmaterial 4 strömt ungestört durch den Hohlkolben 26 in die Gehäuseanordnung 6.
  • Bei einer gefüllten Gehäuseanordnung 6 steigt der Injektionsdruck nun bei gleicher Vorgabe an. Der Injektionsdruck wird abgeschaltet, jedoch bleibt der aufgebaute Restdruck überwiegend erhalten. Um diesen Restdruck gezielt abzubauen, ohne dass Füllmaterial an einer Außenseite der Gehäuseanordnung 6 verbleibt, wird die Injektionsanordnung 2 in die in 2 dargestellte Position überführt.
  • In 2 ist der Hohlkolben 26 der Rücksauganordnung 18 durch Einwirkung beispielsweise des Roboterarmes auf eine hinterste Position bewegt, wobei eine Restvorspannkraft des Federorgans 24 erhalten bleibt, um das Angussdüsenorgan 8 weiterhin gegen die Gehäuseanordnung 6 zu drücken. Es sollte aber deutlich sein, dass in diesem Zusammenhang viele Möglichkeiten zur Auslegung des Federorgans, insbesondere auch zur Richtung der Vorspannkraft, möglich sind. Alternativ kann natürlich auch ein Aktuator eingesetzt werden, der auf den Hohlkolben 26 einwirkt. Hierdurch wird dann der Rücksaugkanal 20 freigegeben, der auf diese Weise als zusätzliches Volumen für überschüssiges Füllmaterial 4 dient. Hierbei wird das Füllmaterial 4 durch den bestehenden Restdruck in den Rücksaugkanal geführt. Unterstützt wird dieses Zurückströmen in den Rücksaugkanal 20 auch noch durch das Zurückziehen des Hohlkolbens 26, wodurch ein Unterdruck im Rücksaugkanal 20 entsteht.
  • Zusammenfassend läuft ein Verfahren zur Injektion von viskosem Füllmaterial 4 mittels der erfindungsgemäßen Injektionsanordnung 2 wie folgt ab. In einem ersten Schritt wird das Angussdüsenorgan 8 über das Koppelorgan 10 mit der Zuführöffnung 12 fluiddicht gekoppelt. In einem zweiten Schritt wird dann der Injektionsvorgang des viskosen Fluidmaterials 4 gestartet. In einem dritten Schritt wird der Injektionsvorgang über eine nicht weiter dargestellte Volumenstromregelung mit einem vorbestimmten Volumen pro Zeiteinheit als Sollgröße und/oder über eine Druckregelung mit einem vorbestimmten Injektionsdruck als Sollgröße überwacht und in einem vierten Schritt bei Erreichen der Sollgröße gestoppt. In einem fünften Schritt wird nun die Rücksaugvorrichtung 22, in diesem Ausführungsbeispiel der Aktuator, betätigt, derart, dass ein Rücksaugvolumen im Rücksaugkanal 20 bereitgestellt wird. Abschließend wird in einem sechsten Schritt das Angussdüsenorgan 8 abgekoppelt, wobei bei integriertem Koppelorgan 10, das Koppelorgan 10 von der Zuführöffnung 12 abgekoppelt wird oder beim Koppelorgan 10 als Einzelteil das Angussdüsenorgan 8 vom Koppelorgan 10 gelöst wird.
  • Ist ein Spülen/Reinigen des Angussdüsenorgans 8 und der Rücksauganordnung 18 aufgrund der Topfzeit des Füllmaterials 4 erforderlich, wird zunächst der Hohlkolben 26 wieder in die Ausgangsposition (gemäß 1) verfahren und anschließend das Angussdüsenorgan 8 gespült, um danach wieder eingesetzt zu werden.

Claims (6)

  1. Injektionsanordnung zur Zuführung von viskosem Füllmaterial (4) ausgehend von einer Zuführquellenanordnung für das viskose Füllmaterial (4) in eine abgeschlossene, abgedichtete Gehäuseanordnung (6) mit mindestens einer Zuführöffnung (12) und mindestens einer Luftablassöffnung, wobei mindestens ein Angussdüsenorgan (8) und ein Koppelorgan (10) vorgesehen sind, wobei das Angussdüsenorgan (8) einen Zuführkanal (16) mit einer Längsachse LZK aufweist und über das Koppelorgan (10) lösbar fluiddicht mit der Zuführöffnung (12) in der Gehäuseanordnung (6) verbindbar ist, wobei am Angussdüsenorgan (8) eine fluidisch mit dem Zuführkanal (16) verbundene Rücksauganordnung (18) vorgesehen ist, die einen Rücksaugkanal (20) und eine Rücksaugvorrichtung (22) aufweist, wobei deren Längsachse LRK koaxial zur Längsachse LZK verläuft, wobei die Rücksauganordnung (18) als Rücksaugvorrichtung (22) einen im als Rücksaugkanal (20) ausgebildeten Zuführkanal (16) des Angussdüsenorgans (8) beweglich gelagerten Hohlkolben (26) und ein hiermit zumindest in einer Richtung zusammenwirkendes Antriebsorgan (24) aufweist.
  2. Injektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsorgan (24) ein Federorgan aufweist, das den Hohlkolben (26) unter Vorspannung gegenüber dem Angussdüsenorgan (8) hält.
  3. Injektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsorgan (24) ein Aktuator ist.
  4. Injektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelorgan (10) am Angussdüsenorgan (8) vorgesehen ist.
  5. Injektionsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelorgan (10) als Einzelteil ausgebildet ist, das in die Zuführöffnung (12) einsetzbar ist.
  6. Verfahren zur Injektion von viskosem Füllmaterial (4) mittels einer Injektionsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt das Angussdüsenorgan (8) über das Koppelorgan (10) mit der Zuführöffnung (12) fluiddicht gekoppelt wird, dass in einem zweiten Schritt der Injektionsvorgang des viskosen Fluidmaterials (4) gestartet wird, dass in einem dritten Schritt der Injektionsvorgang über eine Volumenstromregelung mit einem vorbestimmten Volumen pro Zeiteinheit als Sollgröße und/oder über eine Druckregelung mit einem vorbestimmten Injektionsdruck als Sollgröße überwacht wird, dass in einem vierten Schritt der Injektionsvorgang bei Erreichen der Sollgröße gestoppt wird, dass in einem fünften Schritt die Rücksaugvorrichtung (22) betätigt wird, derart, dass ein Rücksaugvolumen bereitgestellt wird und dass in einem sechsten Schritt das Angussdüsenorgan (8) abgekoppelt wird, wobei bei integriertem Koppelorgan (10) das Koppelorgan (10) von der Zuführöffnung (12) abgekoppelt wird oder beim Koppelorgan (10) als Einzelteil das Angussdüsenorgan (8) vom Koppelorgan (10) gelöst wird.
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