Werkstoffe für hohe elektrische Anforderungen

Unter Strom – mobil und stationär

Maßgeschneiderte technische Kunststoffe sollen für die sichere und zuverlässige Hochvoltsteckverbinder in Elektro- und Hybridfahrzeugen sorgen.

In Serie bei zahlreichen Autoherstellern: Universalstecker von TE Connectivity aus Ultramid mit ihrer typischen orangen Farbe. (Bilder: BASF)

Für den Markt der Elektro- und Hybridfahrzeuge baut die BASF ihr Portfolio an technischen Kunststoffen aus. Ab sofort stehen nach Unternehmensangaben maßgeschneiderte Polyamid- und Polybutylenterephthalat-Typen der Marken Ultramid- und Ultradur global zur Verfügung, um fahrzeuginterne und -externe Hochvoltsteckverbinder mit den erforderlichen Eigenschaften auszustatten. Die speziellen Materialien erfüllen laut Hersteller die gesetzlichen Anforderungen an Flammschutz, Farbstabilität, Mechanik und elektrische Isolierung. So ermöglichen sie den Automobilherstellern Einsparungen bei Gewicht und Bauraum rund um die Batterie und tragen gleichzeitig zur Sicherheit in der Elektromobilität bei.

Ein Beispiel sind die Stecker für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, die TE Connectivity, Schaffhausen, für zahlreiche Automobilunternehmen in enger Zusammenarbeit mit BASF aus verschiedenen Polyamid-Typen entwickelt hat. „Bauteile rund um batteriebetriebene Fahrzeuge entwickeln sich kontinuierlich weiter, jeder Fahrzeughersteller hat spezielle Anforderungen“, erklärt Wolfgang Balles, bei TE Connectivity zuständig für Produktentwicklung Hybrid- und Elektromobilität. Die Hochvoltstecker sind an ihrer typischen orangen Farbe (Farbbatch der BASF Color Solutions) zu erkennen. Das eingesetzte hell einfärbbare Polyamid ist farbstabil und wärmealterungsbeständig, da gerade im sensiblen Bereich hoher Spannungen die Farbkodierung der einzelnen Komponenten sicherheitsrelevant ist: Sie muss mindestens zehn Jahre gut sichtbar bleiben. Die Stecker-Verriegelungen hat BASF mit dem eigenen Simulationswerkzeug Ultrasim optimiert: Das System habe das Einrastverhalten des Bauteils in der Verarbeitung und im Einsatz exakt prognostiziert, wodurch sich Produktionszeit und -kosten einsparen ließen.

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Die global verfügbaren Ultramid- und Ultradur-Typen bestehen laut Daten die Tests nach der verschärften IEC-Norm 62196-1 und die Glühdrahtprüfung nach IEC 60695-2-11 bei 850 °C für Teile aus Isolierstoff, die stromführende Teile halten, sowie bei 650 °C für alle anderen Teile aus Isolierstoff. Die Werkstoffe für batterienahe Steckverbinder sind beständig gegen hohe Temperaturen und Kühlmittel und bei Bedarf mit Flammschutz ausgerüstet. Sie sorgen für verzugsarme, dichte und kriechfeste Bauteile. Die Materialien für Steckverbinder im Ladesystem zeichnen sich unter anderem durch Flammbeständigkeit, Schlag- und Kriechstromfestigkeit sowie gute Isolationseigenschaften aus. Im Portfolio gibt es außerdem halogen-frei flammgeschützte und RoHS-konforme (RoHS: restriction of hazardous substances) Kunststoffe.

Leistungshalbleitermodule mit hohen Anforderungen

Das halogenfrei-flammgeschützte Polybutylenterephthalat (PBT) Ultradur B4450 G5 kommt seit Anfang des Jahres 2015 in der Serienproduktion der Leistungshalbleitermodule Miniskiip Dual der Firma Semikron zum Einsatz. Leistungshalbleitermodule (oder Gleichstrom-Wechselstromwandler) werden zum Beispiel in der industriellen Antriebstechnik, Solarwechselrichtern oder im Antrieb von Elektrofahrzeugen verbaut. Die darin entstehende Wärme leiten metallische Kühlkörper von den Modulen ab. So lässt sich ein Anstieg der Temperatur verhindern und eine optimale Betriebstemperatur sicherstellen. Der Schutz der Leistungshalbleiter gegen äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit, Schmutz und Temperaturschwankungen sichert das Gehäuse aus dem thermoplastischen Ultradur.

Der Werkstoff ist nach UL 94 ab 1,5 Millimeter Wanddicke als V-0 eingestuft und eignet sich, in Kombination mit einem guten RTI (relativer Temperaturindex) von 140 °C, besonders gut für die Anwendung in elektrischen Leistungsmodulen, die hoher Wärmeentwicklung ausgesetzt sind. Der Thermoplast bietet darüber hinaus gute mechanische Eigenschaften und kann hell eingefärbt werden. Mit einem CTI-Wert von 600 überzeugt das Material durch eine außergewöhnlich gute elektrische Isolierfähigkeit und bietet dadurch auch bei kleinen und detailreichen Bauteilen wie dem Miniskiip Dual große Gestaltungsfreiheit. Der Werkstoff ist mit 25 Prozent Glasfasern verstärkt, was den Bauteilen zusätzliche Stabilität verleiht.

Dank der guten Kooperation und der kompetenten anwendungs- und simulationstechnischen Unterstützung von BASF sei es gelungen, Bauteile herzustellen, die nicht nur überaus stabil sind, sondern auch für ein glasfaserverstärktes Material einen nur sehr geringen Verzug aufweisen, begründet der Anwender die Werkstoffwahl. Inzwischen prüfe das Unternehmen weitere Einsatzmöglichkeiten.

Ultradur B4450 G5 zeichne sich dadurch aus, dass es sehr effektiv zur Vermeidung von elektrolytischer Korrosion beitrage: Verbaute Metallkontakte werden demnach selbst unter feucht-warmen Bedingungen nur minimal angegriffen. Kurzschlüsse und dadurch entstehende Folgeschäden können so vermieden werden. Bereits zuvor haben Semikron und BASF bei der Charakterisierung elektrolytischer Korrosion zusammengearbeitet. Das Ergebnis: Eine neuartige Testmethode, mit der Thermoplaste von BASF auf Resistenz gegenüber elektrolytischer Korrosion geprüft werden können.

Über Semikron

Das Unternehmen produziert Komponenten und Systeme für die Leistungselektronik im mittleren Segment von etwa 2 Kilowatt bis 10 Megawatt. Die Produkte sind das Herz moderner, energieeffizienter Motorantriebe und industrieller Automatisierungssysteme. Weitere Anwendungen umfassen Stromversorgungen, erneuerbare Energien (Wind, Solar) sowie die Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen. Innovative Halbleitermodule ermöglichen es Kunden, kleinere, energieeffizientere Leistungselektroniksysteme zu entwickeln. Diese Systeme wiederum helfen, den weltweiten Energieverbrauch zu reduzieren. Semikron ist ein im Jahr 1951 gegründetes Familienunternehmen mit Sitz in Nürnberg. Aktuell werden weltweit mehr als 2900 Beschäftigte in 25 Niederlassungen gemeldet.

Fakuma 2015, Halle B4, Stand 4306

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