Hart im Nehmen

Alles wurde anders

Die Verordnung mit dem Kürzel RoHS (engl. Restriction of the use of certain hazardous substances) trat zum 1. Juli 2006 in Kraft. Die Umsetzung dieser EU-Verordnung zwang die Elektro- und Elektronikindustrie in beispielloser Weise zur Umstellung ihrer Produktionsverfahren. Auch die NORWE GmbH in Bergneustadt, ein bedeutender Hersteller von Spulenkörpern, begann schon früh, sich mit dieser Herausforderung zu beschäftigen.

Spulenkörper sind recht unscheinbare Bauteile, aber fast in jedem elektrischen und elektronischen Gerät enthalten. Entsprechend groß ist die Vielfalt, bei Norwe zählt man mehr als 25.000 verschiedene Typen. Einfach gesagt, besteht ein Spulenkörper aus einem Kunststoffteil mit eingepressten Anschluss-Beinchen. Die Vielfalt der heute verwendeten Kunststoffmaterialien ist mit ca. 150 Granulaten schon fast unübersehbar. Der Grund sind die ständig steigenden Anforderungen an Kunststoffteile für die Elektrotechnik, die durch Regeln, Normen, Geräte- und Gebrauchssicherheit bestimmt werden. Hinzu kommt, dass durch die Globalisierung mehrere Regelwerke nebeneinander zu berücksichtigen sind.

Anforderungen an die Kunststoff-Materialien

Im Fokus der neuen Verordnung stand unter anderem die Verbannung von Blei. Die Verzinnung der Lötstifte und Stanzteile enthielt vor der Umstellung Blei, genau wie das Lötzinn der Lötbäder. Weil Metalllegierungen mit z. B. Silber- oder Goldanteilen aus Wirtschaftlichkeitsgründen schnell ausschieden, wählten die Fachleute eine Reinzinnvariante. Allerdings benötigen Reinzinnlegierungen im Vergleich zu bleihaltigen Ausführungen um ca. 20 - 30° höhere Löttemperaturen, um eine vergleichbare Benetzung und gute Ausbildung der Lötstelle zu erhalten. Daraus resultierte ein erhöhter Temperaturstress für die fertigen Bauteile.

Die bis dahin überwiegend aus Polyamiden (PA) und Polyester (PBT) hergestellten Spulenkörper werden mit den erhöhten Temperaturen nicht fertig, sie verbiegen sich und die Anschlussstifte verlieren ihren Halt. Hochtemperaturthermoplaste (HT) wie LCP, also Flüssigkristallpolymere oder PPS (Polyphenylensulfid) oder PEI (Polyetherimid)oder PEEK (Polyetheretherketon) und andere sind ausreichend temperaturstabil, schaffen aber neue Probleme. Der Rattenschwanz für die Hersteller ist lang: hochtemperierbare Werkzeuge, hochtemperaturfeste Schnecken und höherer Energieverbrauch. Die Materialien sind zudem gegenüber den normalerweise für Spulenkörper gebräuchlichen Materialien erheblich teurer.

Strahlenvernetzte Werkstoffe leisten mehr

Die 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 erfolgt 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). Selbstverständlich werden die Teile durch die Behandlung nicht radioaktiv.

Strahlenvernetzung rechnet sich. 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 günstiger als das aus Hochleistungskunststoffen gefertigte.

Es stehen für den 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 erfolgt unter Berücksichtigung der jeweiligen Kosten, aber auch durch das Vorliegen bzw. die Forderung nach Werkstoffzertifikaten oder z. B. UL-Listungen.

Alles halb so wild

Das Angenehme für den Hersteller ist, dass er wie gewohnt weiter produzieren kann, mit den gleichen Werkzeugen und Rohstoffen wie bisher. Die Vernetzung erfolgt getrennt von der Formgebung bei Spezialisten. Europas größter Bestrahlungsdienstleister, BGS Beta-Gamma-Service, befindet sich mit seiner größten Produktsstätte in Wiehl praktisch vor der Haustür der Norwe. Dipl. Ing. Joachim Gehring, Leiter der Anwendungstechnik bei BGS, erinnert sich: „1995 begannen die ersten Probebestrahlungen mit Norwe, seit 1996 sind wir Produktionspartner des Unternehmens.“

Das Handling ist außerordentlich einfach, die Bauteile müssen nicht vereinzelt werden, sondern durchlaufen als „Schüttgut“ in Kartons verpackt die Bestrahlungsanlage. Ein spezielles Etikett, der Strahlenindikator, verändert durch die 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° C für ca. 2 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 der Kunststoffmasse.

Dipl. Ing. Frank Krekel, bei Norwe im technischen Verkauf und der Kundenberatung tätig, resümiert: „Insbesondere bei Temperaturen im Bereich über 350 - 400° haben sich neben den HT-Polymeren strahlenvernetzbare Materialien ausgezeichnet. Die Strahlenvernetzung hat keinen negativen Einfluss auf die Rückdrück- oder Auszugskräfte der zu verwendenden Kontaktteile. Sie eignet sich deshalb gerade unter Kostengesichtspunkten optimal als Alternative zu Hochtemperatur-Polymeren. Strahlenvernetzte Bauteile sind für einen Hochtemperatur-Lötprozess nahezu ideal geeignet.“

Vorteile der Strahlenvernetzung im Überblick:

• Die durch die Bleifrei-Umstellung der Kontaktteile erforderlichen erhöhten Löttemperaturen werden von strahlenvernetzten Bauteilen problemlos überstanden. Löttemperaturen von bis 450-480° C für ca. 1-3 Sekunden je nach Geometrie und Vernetzungsgrad sind kein Problem.

• Die vorhandenen Werkzeuge können für die Verarbeitung strahlenvernetzbarer Materialen verwendet werden. Die Granulate sind kostengünstig im Vergleich zu HT-Polymeren.

• Durch die im Vergleich zu HT-Polymeren geringeren Masse- und Formtemperaturen beim Spritzgießen werden die Formelemente weniger belastet und sind somit langlebiger.

• Geringere Abnutzung der Werkzeugelemente und eine Energiekosteneinsparung durch niedrigere Temperaturprofile im Spritzprozess.

• Die 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 aufweist und eine höhere Temperaturbeständigkeit besitzt. 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 einer Temperatur von bis zu 360 °C. 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.

Strahlenvernetzung

Die meisten Kunststoffe (Polymere) bestehen aus langen, relativ glatten Molekülketten, die aneinander vorbei gleiten können. Bei Wärmezufuhr nimmt die Beweglichkeit der Ketten zu, die Ketten verlieren ihren Zusammenhalt und der Kunststoff wird weich und schmilzt schließlich. Aufgrund dieses Verhaltens bei Wärme werden solche Kunststoffe Thermoplaste genannt.

Wie kann man verhindern, dass Kunststoff beim Erwärmen nicht schmilzt? Man muss die Molekülketten irgendwie an Ort und Stelle festhalten, damit sie nicht aneinander vorbei- und auseinander gleiten können. Genau das geschieht bei der Vernetzung. Die Vernetzung schafft Verknüpfungen zwischen den einzelnen, losen Molekülketten, sodass sie sich nicht mehr so frei bewegen können.

Bei der Strahlenvernetzung wird dieser Vorgang durch Bestrahlung mit energiereichen Elektronen- oder Gammastrahlen präzise gesteuert. Die Energie der Strahlung wird vom Material absorbiert. Dadurch entstehen Radikale, die in einer weiteren chemischen Reaktion miteinander reagieren und die gewünschten Verbindungen zwischen den Molekülen herstellen.