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Mechatronik Optimiert für Automotive

| Autor / Redakteur: Andreas Eipper* / Kristin Rinortner

In der Elektromechanik werden zunehmend die zahlreichen Einzelteile zu kompakten mechatronischen Baugruppen zusammengefasst. Der Verdrahtungsaufwand und die Zahl der Kabel und Steckverbinder

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( Archiv: Vogel Business Media )

In der Elektromechanik werden zunehmend die zahlreichen Einzelteile zu kompakten mechatronischen Baugruppen zusammengefasst. Der Verdrahtungsaufwand und die Zahl der Kabel und Steckverbinder reduziert sich dadurch drastisch, Schnittstellen sind nicht mehr notwendig. Möglich sind diese hochintegrierten Bauteile nur durch den Einsatz technischer Kunststoffe. Insbesondere die Automobilindustrie ist mit zahlreichen Applikationen hier Innovationstreiber.

Technische Kunststoffe finden sich in der Elektronik und Elektrotechnik vor allem als Gehäusewerkstoffe, als elektrisches Isolationsmaterial, als Träger von Kontakten aber auch als Trägermaterial für komplexe, mechatronische Baugruppen. Zu den technischen Kunststoffen gehören unter anderem Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM), Poly(ether)sulfon (PES/PSU) und Polybutylenterephthalat (PBT). PBT unterscheidet sich von anderen Kunststoffen durch die Kombination von hoher Steifigkeit, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit mit außergewöhnlicher Dimensionsstabilität. Durch Zusatz von Glasfasern lassen sich die Eigenschaften weiter verbessern.

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Anders als Polyamid (PA) – der technische Kunststoff mit dem breitesten Einsatzspektrum – nimmt PBT kaum Feuchte auf. Deshalb sind seine mechanischen Eigenschaften unabhängig von der Luftfeuchte auf einem gleichmäßig hohen Niveau und Dimensionsunterschiede durch unterschiedliche Feuchtezustände gibt es nicht. Gegenüber POM (Polyoxymethylen) liegt der Hauptvorteil in der höheren Temperaturbeständigkeit – sowohl kurz- als auch langfristig.

Diese Eigenschaftskombination macht PBT zu einem idealen Werkstoff z.B. für anspruchsvolle Bauteile in der Elektrotechnik und Elektronik – vor allem der Kfz-Elektronik. Steuergehäuse für ABS oder das immer häufiger im Auto befindliche ESP, filigrane Steckverbinder, komplexe Kfz-Schließanlagen, Sensoren, Stellantriebsgehäuse und Getriebesteuerungen gehören zu den Einsatzfeldern des Materials. Die BASF vermarktet ihr PBT unter dem Handelsnamen Ultradur.

Von der Elektromechanik zur Mechatronik

Die elektronische Steuerung des neuen Doppelkupplungsgetriebes, einem innovativen Automatikgetriebe, das VW seit 2003 bei Golf, Touran, Passat und Eos einsetzt, ist ein anspruchsvolles und kompakt gebautes mechatronisches Bauteil. Conti Temic microelectronic fertigt es aus zwei verschiedenen Ultradur-Typen. Der Werkstoff muss dem heißen Getriebeöl widerstehen, dem die Steuerung ausgesetzt ist, und die vom Kunststoff fixierten Halbleitersensoren dürfen auch unter Temperatur- und Öleinwirkung ihre Position nicht verändern. An Stellen, wo besonders hohe Isotropie der Materialeigenschaften verlangt wird, kommt eine nicht mit Glasfasern sondern mit Glaskugeln verstärkte Type zur Anwendung (Bild 1).

Möglich sind derartige hochintegrierte mechatronische Bauteile nur durch den Einsatz leistungsfähiger technischer Kunststoffe wie PBT. Denn nur ein Werkstoff, der frei formbar ist, schützt die Elektronik und vereint gleichzeitig Aktorik und Sensorik auf engstem Raum in einem Bauteil. Der Verdrahtungsaufwand, die Zahl der Kabel und Stecker wird drastisch reduziert, Schnittstellen fallen weg, das Bauteil ist klein, leicht und zuverlässig.

Bei Bauteilen mit komplexer Geometrie und hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit kommt vor allem der Verzugsarmut eines Werkstoffs besondere Bedeutung zu. Für solche Anwendungen, wie z.B. Gehäuse von Kfz-Türsteuergeräten oder Sicherungs- und Relaisboxen, stehen PBT-ASA-Blends zur Verfügung, die die BASF unter der Typenbezeichnung Ultradur S anbietet. Der Anteil an Styrolkunststoff ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymer) verleiht Bauteilen aus diesem Werkstoff einen nochmals deutlich verringerten Verzug.

Hohe Fließfähigkeit für filigrane Bauteile

Einen großen Schritt hinsichtlich verbesserter Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften ist der Kunststoffhersteller im Jahr 2004 mit einem deutlich fließverbesserten PBT gegangen. Durch ein Nanoadditiv – und die spezielle Art der Zumischung – verändert sich die Rheologie der Schmelze des Basispolymers grundlegend: Es fließt – unter sonst gleichen Bedingungen – fast doppelt so weit wie konventionelles PBT. Der optimierte Werkstoff ist unter dem Namen Ultradur High Speed in den Markt eingeführt worden und bringt dem Spritzgießer eine Reihe von Vorteilen: Aufgrund der niedrigen Schmelzviskosität reichen geringere Einspritz- und Nachdrücke beim Herstellen von Bauteilen aus.

Auf diese Weise lassen sich kleinere Spritzgießeinheiten verwenden, die Zahl der Anspritzpunkte nimmt ab, die Zahl der möglichen Kavitäten zu. Dazu kommt geringerer Werkzeugverschleiß und gleichmäßigere Bauteilqualität. Alternativ lässt sich die Massetemperatur absenken, somit die Kühl- und Nachdruckzeit verringern und letztlich die Zykluszeit um 20 bis 30% reduzieren. Die Bauteilkosten sinken. Für den Konstrukteur von Elektronikbauteilen ist jedoch ein anderer Vorteil entscheidend: Weil die Schmelze des Ultradur High Speed leichter fließt, sind dünnwandige Artikel mit einem größeren Anteil an Verstärkungsstoffen (z.B. Glasfasern) und damit besseren mechanischen Eigenschaften bei geringerer Wanddicke realisierbar.

Klein, aber fein

Ein solches Bauteil, das enorm von der verbesserten Fließfähigkeit des PBTs profitiert, ist eine Steckvorrichtung für Datenträger, die als Gegenstück für die Kabel von Laptops, Telefonen und anderen Geräten mit ISDN- oder DSL-Anschluss dient. Eingesetzt wird hier eine mit 10% Glasfasern verstärkte Variante von Ultradur High Speed. Das kleine, sehr filigrane Bauteil wiegt 1,5 g und wird in jährlichen Stückzahlen von mehreren Millionen hergestellt (Bild 2).

Der Hersteller konnte mit Hilfe des leicht fließenden Kunststoffs ein bis dato ungelöstes Problem hinter sich lassen: das komplexe Werkzeug mit acht Kavitäten ist mit marktüblichem PBT nur schwer zu füllen. Immer wieder entstanden an den sehr dünnen Stegen des Steckers unvollständig gefüllte Stellen, die zu einer hohen Menge Ausschuss führten. Mit dem neuen PBT verbesserte sich nicht nur der Füllgrad des Werkzeugs, sondern auch unerwünschte Ablagerungen blieben aus und die Zykluszeit konnte um 20 bis 25% verbessert werden.

Hybridstecker für Sicherungs- und Relaisboxen

Ähnlich interessante Ergebnisse hat Molex Elektronik, Ettlingen, die deutsche Tochtergesellschaft des weltweit drittgrößten Herstellers von Industriesteckern und -steckermodulen, erzielt. Molex fertigt die neue Generation ihrer 16-poligen, so genannten Sicma-Hybrid-Stecker für Sicherungs- und Relaisboxen im Automobil aus Ultradur High Speed B4300. Mit dem besonders fließfähigen Material lässt sich das dünnwandige Bauteil im Spritzguss sehr materialschonend füllen (Bild 3).

Dadurch bleiben die ausgewogenen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs PBT erhalten. Ein Gehäuse aus Ultradur High Speed kann große Kabelquerschnitte, wie sie beim Doppelcrimp auftreten, besser aufnehmen als dies mit bisher eingesetztem PBT möglich war. Denn für die Herstellung der neuen Steckergeneration ist bei hoher Festigkeit auch eine bestimmte Elastizität gefordert. Auch hier verbergen sich Jahresstückzahlen von mehr als fünf Millionen hinter der auf den ersten Blick unscheinbaren Anwendung.

Lenkwinkelsensoren

Ein weiteres interessantes Beispiel für den Einsatz von PBT in der Automobilelektronik ist der von Bosch gefertigte Lenkwinkelsensor (Bild 4). Mit seiner Hilfe werden Informationen über die Position des Lenkrads an das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) weitergegeben. Hier findet sich Ultradur High Speed derzeit in der Erprobungsphase. Das Besondere besteht bei dieser Anwendung in der kontrastreichen Laserbeschriftbarkeit des Kunststoffbauteils. Inzwischen ist diese Eigenschaft bei allen schwarz eingefärbten Ultradur High Speed-Typen im Sortiment serienmäßig vorhanden.

BASF, Tel. +49(0)621 6043348

*Dr. Andreas Eipper ist im technischen Marketing für Ultradur bei der BASF Aktiengesellschaft in Ludwigshafen tätig.

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