Strahlenvernetzung, Spulenkörper

Hart im Nehmen

Strahlenvernetzung für hohe Temperaturen
Strahlenvernetzte Spulenkörper können kurzfristig thermisch hoch belastet werden, ohne dass sich die mechanischen oder elektrischen Eigenschaften verändern.
Die Verordnung mit dem Kürzel RoHS trat bereits Mitte 2006 in Kraft. Die Umsetzung dieser EU-Verordnung zwang die Elektro- und Elektronikindustrie häufig zur Umstellung ihrer Produktionsverfahren. Das Unternehmen Norwe, Hersteller von Spulenkörpern hat sich frühzeitig mit den daraus resultierenden Problemen beschäftigt und nach neuen Lösungen gesucht.

Spulenkörper sind recht unscheinbare Bauteile, aber in fast jedem elektrischen und elektronischen Gerät enthalten. Entsprechend groß ist die Vielfalt, bei Norwe zählt man mehr als 25.000 Typen. Im Prinzip besteht ein Spulenkörper aus einem Kunststoffteil mit eingepressten Anschluss-Beinen. Die Vielfalt der Kunststoffmaterialien ist mit etwa 150 Varianten recht groß. Außerdem sind aufgrund der Globalisierung mehrere Regelwerke nebeneinander zu berücksichtigen. Im Fokus der RoHS steht unter anderem die Verbannung von Blei aus der Verzinnung der Lötstifte und Stanzteile und der Lötbäder. Silber- oder Goldlegierungen scheiden aus Kostengründen aus. Die nun verwendete Reinzinnvariante benötigt allerdings um etwa 20 bis 30 Grad höhere Löttemperaturen, um eine gute Ausbildung der Lötstelle zu erhalten. Die bis dahin überwiegend aus Polyamiden (PA) und Polyester (PBT) hergestellten Spulenkörper verbiegen sich und die Anschlussstifte verlieren ihren Halt. Hochtemperaturthermoplaste (HT) wie LCP, PPS (Polyphenylensulfid), PEI (Polyetherimid) und PEEK (Polyetheretherketon) und andere sind ausreichend temperaturstabil, schaffen aber neue Probleme: Hochtemperierbare Werkzeuge, hochtemperaturfeste Schnecken und höherer Energieverbrauch. Die Materialien sind zudem gegenüber den üblichen erheblich teurer.

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Strahlenvernetzte Werkstoffe leisten mehr

Eine Alternative ist die „Strahlenvernetzung“. Mit dem seit Jahrzehnten bekannten Verfahren werden technische Kunststoffe für höhere Belastungen optimiert. Die Strahlenvernetzung führt zu höheren Dauergebrauchstemperaturen, zur Verminderung des Kriechens, zur Verbesserung der Abriebfestigkeit und der Rückstelleigenschaften. Strahlenvernetzte Kunststoffe verhalten sich besser im Brandfall, haben eine bessere Kurzzeittemperaturbeständigkeit und können gegenüber Lösungs-, Reinigungsmitteln oder Betriebsstoffen beständiger werden. Das Verfahren geschieht bei nur leicht erhöhter Temperatur, ohne die Bauteile zusätzlich zu stressen oder ihre Abmessungen zu verändern. Die „Vernetzung“ der Kunststoffmoleküle wird durch Bestrahlung mit energiereichen Elektronen- oder Gammastrahlen präzise gesteuert. Bestrahlt wird meist mit Elektronenstrahlen (Beta-Strahlen genannt), in bestimmten Fällen auch mit der Strahlung von Kobalt-60 (Gamma-Strahlen). Dabei werden die Teile nicht radioaktiv. Strahlenvernetzung kann sich sehr gut rechnen: Die Ausgangswerkstoffe sind preisgünstiger, nicht zuletzt auch wegen der größeren Abnahmemengen pro Verarbeiter. Selbst wenn man die zusätzlichen Kosten für Transport und die Strahlenvernetzung hinzu rechnet, ist das fertige Produkt in der Summe in der Regel günstiger als das aus Hochleistungskunststoffen gefertigte.

Es stehen dem Verarbeiter zwei Möglichkeiten bei der Anwendung strahlenvernetzter Kunststoffe offen: Zum einen können beispielsweise handelsübliche Polyamide mit einem Vernetzungsverstärker in Form von Masterbatches vermischt und verarbeitet werden. Andererseits stehen fertige Compounds zur Verfügung, die das Vernetzungsadditiv bereits enthalten. Die Entscheidung für den je nach Anwendung richtigen Werkstoff orientiert sich an den jeweiligen Kosten, aber auch am Vorliegen beziehungsweise der Forderung nach Werkstoffzertifikaten oder beispielsweise UL-Listungen. Angenehm für den Verarbeiter ist, dass er wie gewohnt weiter produzieren kann, mit den gleichen Werkzeugen und Rohstoffen wie bisher. Die Vernetzung geschieht getrennt von der Formgebung. So hat der Bestrahlungsdienstleister BGS Beta-Gamma-Service einen Standort in Wiehl praktisch vor der Haustür der Norwe. Das Handling ist dementsprechend einfach, die Bauteile müssen nicht vereinzelt werden, sondern durchlaufen als Schüttgut in Kartons verpackt die Bestrahlungsanlage. Ein spezielles Etikett, der Strahlenindikator, verändert bei der Bestrahlung seine Farbe, es dient bei Norwe als Prüfmerkmal bei der Eingangskontrolle der zurück erhaltenen Bauteile. Weil man den bestrahlten Teilen die Behandlung nicht ansieht, unterzieht man Musterteile der so genannten „Lötkolbenprüfung“. Hierzu wird ein Lötkolben mit einer Spitzentemperatur von 450 Grad Celsius für etwa zwei Sekunden auf die Kunststoffoberfläche der Kunststoffteile gelegt. In ausreichend vernetzte Kunststoffteile dringt die Lötkolbenspitze nicht ein. Nicht vernetzte Spulenkörper hingegen zeigen deutlich Spuren der eindringenden Lötkolbenspitze, also ein Erweichen des Kunststoffs. Frank Krekel, bei Norwe im technischen Verkauf und der Kundenberatung tätig, resümiert: „Besonders bei Temperaturen im Bereich über 350 bis 400 Grad haben sich neben den HT-Polymeren strahlenvernetzbare Materialien bewährt. Die Strahlenvernetzung hat keinen negativen Einfluss auf die Rückdrück- oder Auszugskräfte der zu verwendenden Kontaktteile. Sie eignet sich deshalb gerade unter Kostengesichtspunkten Hochtemperatur-Lötprozessen optimal als Alternative zu Hochtemperatur-Polymeren.“

Strahlenvernetzung im Überblick

  • wegen der Umstellung auf bleifreie Kontaktteile erforderlichen erhöhten Löttemperaturen überstehen strahlenvernetzte Bauteile problemlos. Löttemperaturen von 450 bis 480 Grad Celsius sind, je nach Geometrie und Vernetzungsgrad, für ein bis drei Sekunden kein Problem.
  • vorhandenen Werkzeuge können für die Verarbeitung strahlenvernetzbarer Materialen verwendet werden. Die Werkstoffe sind kostengünstig im Vergleich zu HT-Polymeren.
  • die im Vergleich zu HT-Polymeren geringeren Massetemperaturen beim Spritzgießen werden die Formelemente weniger belastet und sind somit langlebiger.
  • Abnutzung der Werkzeugelemente und Energiekosteneinsparung durch niedrigere Temperaturprofile im Spritzprozess.
  • mechanischen Eigenschaften der gefertigten Bauteile bleiben unbeeinflusst.

Beispiel: Polyamid: Durch Strahlenvernetzung wird aus einem thermoplastischen Polyamid ein Kunststoff, der auch oberhalb der Schmelztemperatur verlässliche mechanische Eigenschaften und Festigkeiten und eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist. Die Formbeständigkeit unter Wärmebelastung wird erheblich verbessert. Strahlenvernetztes Polyamid kann Duroplaste oder Hochleistungskunststoffe preiswert ersetzen.
Beispiel PBTP: Die Strahlenvernetzung sorgt für eine bessere Verbundhaftung von glasfaserverstärktem PBTP. Die Teile widerstehen 10 bis 12 Sekunden Temperaturen bis 360 Grad Celsius. Auch Teile inklusive eingebetteter metallischer Komponenten können nachträglich vernetzt werden. Durch die geringe Wasseraufnahme unterbleibt beim Löten der „Popkorn-Effekt“: das Aufblähen der Teile durch Wasserdampf.

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