Das Handling muss sehr präzise arbeiten, damit die an den PI-Folien befindlichen Kontakte in das Werkzeug eingeführt werden können. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Das Handling muss sehr präzise arbeiten, damit die an den PI-Folien befindlichen Kontakte in das Werkzeug eingeführt werden können. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die Elektrifizierung unseres Umfelds ist bereits weit fortgeschritten und wird noch weiter fortschreiten. Die zahlreichen mechatronischen Elemente und Baugruppen in unserem häuslichen Umfeld und in unseren Fahrzeugen müssen dauerhaft störungsfrei funktionieren. Dafür sind zahlreiche Temperatur-, Druck-, Durchfluss- und Abstandssensoren verantwortlich. Für das Herstellen dieser Komponenten ist die Kunststofftechnik eine Schlüsseltechnologie. Sie ermöglicht eine Funktionsintegration von elektronischen, thermischen und mechanischen Ansprüchen.

Der Umsetzungsprozess ist herausfordernd, da in einem Bauteil glasfaserverstärkte Materialien eingesetzt sowie Leiterbahnen und Einlegeteile integriert werden, sodass es zu Schwindungsbehinderungen kommt, die wiederum die Funktion beeinflussen. Deshalb sind Simulation und Erfahrungswerte beim Auslegen des Spritzgusswerkzeugs ein wichtiges Instrument, um bereits im Vorfeld die kritischen Punkte beim Herstellen und Entformen zu erkennen und gegenzusteuern. Den Werkzeugbau und das anspruchsvolle Fertigen dieser mechatronischen Komponenten übernimmt die Erwin Quarder Systemtechnik mit Sitz in Espelkamp. Das Unternehmen vereint Werkzeug- und Automatisierungstechnik unter einem Dach und hat sich auf das Herstellen dieser Produktgruppe spezialisiert.

Toleranzen bestimmen Machbarkeit

Anspruchsvoll von technischer Seite sind bei jedem neuen Projekt das Bewerten der einzuhaltenden Toleranzen und der Machbarkeit. Die geforderte Genauigkeit ist sehr hoch und trotz Chargen- und Prozessschwankungen muss die Reproduzierbarkeit garantiert werden. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen wird mit mehrkavitätigen Werkzeugen gearbeitet und zusätzlich ähnliche Bauteile in einem Werkzeug gefertigt, denn die Anzahl der benötigten Wechselkerne soll gering sein, um das Investitionsvolumen niedrig zu halten. „Die geforderten Toleranzen liegen mittlerweile im Bereich von Mikrometern und somit an der Grenze des Machbaren“, sagt Ralf Ackermann, Leiter des operativen Bereichs bei Quader Systemtechnik.

Blick in das Werkzeug zum Herstellen des Heißfilm-Luftmassenmessers mit acht Kavitäten. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Blick in das Werkzeug zum Herstellen des Heißfilm-Luftmassenmessers mit acht Kavitäten. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Bei der artikelgerechten Werkzeugkonstruktion setzt Quarder auf Cadmould und Moldex 3D. Basierend auf diesen Daten werden die komplexen, in der Regel mehr- und hochkavitätigen Werkzeuge konstruiert und im Werkzeugbau gefertigt. Kleinteilige Prototypen- oder Vorserienwerkzeuge werden je nach zeitlichem Rahmen des Projekts auch direkt auf Serienstand gebracht.

Ein gutes Beispiel ist der Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM), von dem in einem Mehrkavitätenwerkzeug gleichzeitig mehrere ähnliche Bauteile gefertigt werden. Hierbei handelt es sich um ein Bauteil im Motorraum, das den tatsächlichen Luftmassestrom erfasst und die Messwerte an die Motorsteuer- und -regeltechnik weitergibt. Der HFM regelt das Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das dem Motor zugeführt wird. Das Gehäuse des Moduls wird aus PBT-GF30 gefertigt und besitzt kundenspezifische Steckeranbindungen. Im Inneren sind eine Leiterplatte, die optional mit einem Druck- und Feuchtesensor ausgestattet ist, sowie der Temperatursensor integriert. Gehäuse und Deckel bilden die Kanäle, durch die der Luftmassestrom hindurch, am Sensor vorbeigeleitet und erfasst wird.

Neue Anwendungen erfordern neue Materialien

Der Zelltemperatursensor ist mit einer Gesamtlänge von rund 26 mm ein recht kleines, eher unscheinbares Bauteil, das in der Batteriezelle eine wichtige Aufgabe übernimmt. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Der Zelltemperatursensor ist mit einer Gesamtlänge von rund 26 mm ein recht kleines, eher unscheinbares Bauteil, das in der Batteriezelle eine wichtige Aufgabe übernimmt. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die zu verarbeitenden Kunststoffe sind meist durch Kundenspezifikation vorgegeben und erstrecken sich über die gesamte Bandbreite der technischen Kunststoffe. Häufig sind die Materialien glasfaserverstärkt und, abhängig vom Einsatzort des Bauteils, gegebenenfalls UV-stabilisiert, laserbeschriftbar oder auch wärmeleitfähig. „Die Werkstoffe sind vom First Tier exakt spezifiziert und wurden in langwierigen Verfahren validiert, sodass in der Regel sogar der Lieferant festgelegt ist. Bei der momentanen Marktsituation bezüglich des Polyamids ist es nicht immer einfach, dieses in ausreichenden Mengen beziehen zu können“, führt Kerstin Krallmann, Leiterin Projektrealisierung, aus. „Liegt die Entwicklungshoheit eines Produkts wie beispielsweise beim Zelltemperatursensor (ZTS) bei Quader, dann werden im Zuge des Projekts die Materialien selbst gewählt.“

Der ZTS ist ein sicherheitsrelevantes Bauteil in der Elektromobilität. Er überwacht die Zelltemperatur in Lithium-Ionen-Batterien sowohl bei Umgebungstemperatur als auch unter Last. Wird die Batterie zu warm, so nimmt dies einen nachteiligen Einfluss auf ihre Lebensdauer. Ein weiteres Ansteigen hätte eine exotherme Reaktion zur Folge. Zu geringe Temperaturen begrenzen die Batteriekapazität, die zu einer reduzierten Stromaufnahme beim Ladevorgang führen würde. Der Zelltemperatursensor ist federnd aufgebaut, sodass Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können und der Kontakt zur Zelle immer gegeben ist. Jede Batteriezelle besitzt zwei ZTS in Redundanz.

Komplexe Werkstoffkombination

Niko Petker, Leiter Projektmanagement, berichtet, dass es die Materialauswahl für dieses Bauteil in sich hatte, denn der ZTS muss im Temperaturbereich von -40 °C und +125 °C funktionieren, sodass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien gut aufeinander abgestimmt werden mussten. Zum einen galt es, ein passendes Stanzmaterial zu finden, das die federnde Funktion gewährleistet und im Reflow-Prozess auf der PCB befestigt werden kann. Zum anderen waren die geeigneten Polymere auszuwählen. Die Entscheidung fiel auf ein glasfasergefülltes LCP-Material, aus dem der Fuß, Sensorkopfhalter und das Gehäuse des Zelltemperatursensors gespritzt werden. Die an das Federelement angespritzte Sensorkopffläche ist aus einem Polymer hergestellt, das extrem hoch mit Keramik gefüllt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Wärme schnell an den Sensor weitergeleitet wird. Die Rückverfolgbarkeit der Sensoren ist über einen Data-Matrix-Code am Gehäuse gegeben.

Der ZTS wird in Serie mit mehreren Spritzgusswerkzeugen hergestellt: Das Gehäuse in einem 8-fach-Werkzeug, sowohl die Vorumspritzung der Feder als auch die Hauptumspritzung des Sensors werden in einem 4-fach-Werkzeug durchgeführt. „Wir sind im Bereich Mikrospritzguss unterwegs. Die Schussgewichte sind sehr gering, die Schussleistung unserer Maschinen nach unten begrenzt, sodass wieder die Spitze eines Prozesses erreicht ist“, erläutert Ackermann. „Neben dem systematischen Vordenken bei den Neuprojekten bleibt bei den Entwicklungsprojekten immer noch ein iterativer Anteil. Exemplarisch sei für dieses Projekt das Angusssystem für das hochgefüllte Polymer genannt“, berichtet Kerstin Krallmann. „Beim Herantasten an die Lösung ist man dankbar für die ganzheitliche Sicht der langjährigen, erfahrenen Mitarbeiter.“

Konzeptwettbewerb für Sensor gewonnen

Der Entnahmeroboter platziert die gespritzten Gehäuseteile am Band der Abkühlstrecke, bevor diese an die Montagelinie übergeben werden. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Der Entnahmeroboter platziert die gespritzten Gehäuseteile am Band der Abkühlstrecke, bevor diese an die Montagelinie übergeben werden. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die Quader Systemtechnik stellt sich im Zuge von Projektausschreibungen auch Konzeptwettbewerben. So auch dem Wettbewerb für einen Wegsensor, der Teil eines 9-Gang-Hochleistungsgetriebes ist. Das eingereichte Konzept hat die Ausschreibung gewonnen und das Produkt läuft zwischenzeitlich auf einer vollautomatisierten Linie.

Technisch anspruchsvoll bei diesem Projekt ist, dass eine Flexleiterfolie aus Polyimid, an die abgewinkelte Kontakte gelötet sind, ins 4-fach-Werkzeug vollautomatisiert eingelegt wird. Außerdem ist die Prozessführung beim Spritzgießen so zu wählen, dass die Leiterbahnen und die 25 µm dünne Kupferleiterbahnen in der PI-Folie während des Anspritzens der Endstücke nicht reißen. Dies musste bei der Werkstoffauswahl für die Sensoraufnahme und den Stecker berücksichtigt werden. Es wurden mit verschiedenen Materialkombinationen Simulationen durchgeführt und am Ende standen folgende Werkstoffe fest: Für den Stecker ein glasfaserverstärktes LCP-Material und für die Aufnahme ein glasfaserverstärktes PA66. Diese Auswahl besteht die im Lastenheft geforderten 1.500 Temperaturwechselzyklen von -40 °C bis 150 °C.

Risse der Leiterbahnen bei Temperaturwechseltest bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien. (Bildquelle: Quarder)

Risse der Leiterbahnen beim Temperaturwechseltest bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien. (Bildquelle: Quarder)

Eine weitere Herausforderung ist, dass der Stecker stirnseitig über die Kontakte an die Folie angespritzt wird. Dies bedingt, dass die an der PI-Folie angelöteten Kontakte durch die hohe Materialtemperatur aufschmelzen und ein Schweif entsteht, der zu einer Brückenbildung und somit Fehlkontaktierungen führen kann. Daher liegt beim Fertigen ein besonderes Augenmerk auf der Prozessführung beim Anspritzen des Steckers, um eine Schweifbildung zu vermeiden.

Mehrfache 100-Prozent-Prüfung

Blick entlang der beiden Montagelinien des Wegsensors. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Blick entlang der beiden Montagelinien des Wegsensors. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Doch nicht nur die Sensorfertigung ist anspruchsvoll, sondern der komplette, vollautomatisierte Produktionsablauf. Die Polyimidfolien werden vom Werker aus dem Tray entnommen und einer Sichtkontrolle unterzogen, bevor sie in den mit den Kontaktstiften bestückten Warenträger zur Weiterverarbeitung gelegt werden. Anschließend werden die Kontakte gelötet, die Lötstellen geprüft und die Folien vom Handlingsroboter ins Werkzeug eingelegt. Der 2K-Spritzguss erfolgt auf einer Engel Victory 60H-60V-80 Combi Spritzgießmaschine. Nach dem Anspritzen von Stecker und Sensoraufnahme erfolgt eine Hochspannungsprüfung und defekte Bauteile werden ausgeschleust. In den nachfolgenden Stationen wird der Sensor montiert, gelötet und ebenfalls elektrisch überprüft. „Die elektrische Prüfung am Ende der Kette erfolgt, um sicherzugehen, dass die gefertigte Kombination passt und in die nächste Linie nur funktionsfähige Teile eingeschleust werden“, führt Niko Petker aus.

Taktile Endkontrolle aller Wegsensoren am Ende der Montagelinie. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Taktile Endkontrolle aller Wegsensoren am Ende der Montagelinie. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Eine zweite Engel Spritzgießmaschine Victory 650-160tech fertigt die Sensorhalterung, die über eine Kühlstrecke ebenfalls dem zweiten Montagekreis zugeführt wird. Der Sensor wird in die Halterung eingelegt, eine Abdeckung positioniert, heißverstemmt und die Gesamtbauteilhöhe ebenfalls vollautomatisiert vermessen. Danach erfolgt eine 100-prozentige Kennlinienprüfung bei Raumtemperatur. Wurde diese bestanden, so erhält die Baugruppe einen Data-Matrix-Code und wird in die Trays zum Versand eingelegt.

Sauberkeit hat Priorität

Niko Petker leitet das Projektmanagement und ist zufrieden mit der produzierten Qualität der Wegsensoren. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Niko Petker leitet das Projektmanagement und ist zufrieden mit der produzierten Qualität der Wegsensoren. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Da die Baugruppen den Anforderungen der Technischen Sauberkeit genügen müssen, sind beide Montagelinien komplett gekapselt und innerhalb einer Sauberzone aufgebaut. Partikuläre Verunreinigungen im Bereich des Sensors oder auf den Leiterbahnen würden zu Fehlkontaktierungen führen, die den Ausfall der Baugruppe nach sich ziehen könnten. „Der kleinste Abstand der Leiterbahnen beträgt 0,46 mm, sodass schon Flusen oder auch ein kleiner Span problematische sind. Daher reinigen wir die Baugruppe an mehreren Stellen im Fertigungsprozess“, erläutert Niko Petker die Notwendigkeit. In der gesamten Anlage sind verschiedene Reinigungsstationen mit Bürsten und Absaugstationen integriert, um die Restschmutzanforderungen gemäß Kundenspezifikation zu erfüllen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellten mechatronischen Komponenten im Fahrzeug wichtige, sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen. Zum Fertigen dieser ist jedoch nicht nur modernste Technik, sondern auch der Sachverstand erfahrener Mitarbeiter notwendig.

 

 

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Über den Autor

Simone Fischer

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

simone.fischer@huethig.de