Frisch gepresst

Umrichter und Wechselrichter gehören zu den Herzstücken in Windenergie- und Solaranlagen, sichern sie doch die Kompatibilität des eingespeisten Stroms mit dem Netz und seinen Charakteristika. Je nach Anlagenkonzept und Einsatzbereich unterscheiden sich dabei die technischen Anforderungen sowie die Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Insbesondere in Windenergieanlagen sind Umrichter und deren Komponenten starken thermischen und kinetischen Belastungen ausgesetzt. Bei Solaranlagen sind es vor allem thermische Belastungen und kleine Bauformen, die zu berücksichtigen sind.

Das hat nicht zuletzt Auswirkungen auf die Auslegung und Fertigung der Anschlusstechnik, die auch unter extremen Bedingungen funktionsfähig bleiben muss. Immerhin soll das Modul im Idealfall über einen Zeitraum von 20 Jahren die Stromeinspeisung zuverlässig sicherstellen. Das heißt: Präzise Verarbeitung, geringe Fertigungstoleranzen, hohe Betriebssicherheit und Langlebigkeit sind unverzichtbar. Gleichzeitig sollen die Stückkosten freilich trotzdem weiter sinken.

In der Fertigung der Anschlusstechnik zeichnet sich deshalb ein Kurswechsel ab: Weg von der Löttechnik, hin zur Einpresstechnik – eine Neuerung, die sich bei den Herstellern und Entwicklern durchzusetzen beginnt.

Schwächen des Lötverfahrens

Die insbesondere in unteren und mittleren Leistungsklassen eingesetzte Löttechnik erweist sich mehr und mehr als Kostenblockierer oder -treiber, da das Verfahren aufwändig, komplex und fehleranfällig ist. Einschränkungen beim Lötprozess und bei der Betriebssicherheit lassen sich immer weniger vertreten. Die Kosten in der Fertigung und im Betrieb sind zudem zu hoch, was es nahelegt, Kostensenkungspotenziale zu nutzen. Designbedingt verbietet sich derzeit der Einsatz von Lötrobotern oder Selektivlötern. Selbst Standardlötanlagen sind für die Fertigung ungeeignet.

Welche Potenziale hier bestehen, zeigt ein Blick auf die Fertigungszeiten: Nach heutigem Fertigungsstandard müssen für jedes Modul etwa 30 min für die Lötung der Anschlusspins aufgewandt werden. Jeder Lötpin benötigt mehr als 1 min, da die Temperatur des Lotes aufgrund der großflächigen Kupferschichten in den Leiterplatten präzise kontrolliert werden muss. Bei etwa 30 Anschlusspfosten addieren sich auf diese Weise die Fertigungszeiten für das Gesamtmodul, was die Produktionskosten massiv nach oben treibt.

Hinzu kommen Probleme bei der Fertigungsqualität: Die mechanischen Toleranzen für die Verbindung von Powermodul und Leiterplatte sind äußerst gering, nämlich nur 0,1 mm. Das Lötverfahren hat jedoch nicht zuletzt hierbei deutliche Schwächen: Hohe Anforderungen an das Modul einerseits und an die Qualität des Fertigungsprozesses andererseits treiben den Zeitaufwand und die Stückkosten in die Höhe. Zweifelsohne erhöht dies den Handlungsdruck und legt den Wechsel zum Einpressverfahren nahe.

Einpresstechnik als sinnvolle Alternative

Die Vorteile der Einpresstechnik greifen genau an dem Punkt, an dem das Lötverfahren Schwächen aufweist: Das Verfahren ist einfach umzusetzen, weist eine deutlich höhere Verarbeitungspräzision auf und ist mit wesentlich geringerem Aufwand verbunden. All das sind Faktoren, die einerseits die Fertigungskosten radikal senken helfen, andererseits die Leistungsfähigkeit im Feld verbessern. Hinzu kommen weitere Vorteile, die im Verfahren selbst lokalisiert sind: Weil eine hohe Verbindungssicherheit durch eine gewisse Elastizität gegeben ist, lässt sich die Einpresstechnik in beiden Bereichen, in der Signalübertragung und bei der Übertragung schwacher Spannungen und Ströme einsetzen. Zudem ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit groß.

Die Verarbeitungstoleranzen sind im Vergleich zum Lötverfahren sehr viel kleiner und lassen sich von 0,5 mm auf 0,05 mm verringern. Die im Einpressverfahren mögliche Koplanarität, die auch bei der Verarbeitung mehrerer Module erzielt werden kann, ist durch Lötprozesse nicht zu erreichen. Auch wird das Fertigungstempo selbst massiv gesteigert und der Zeitaufwand auf einen Bruchteil des bisherigen gesenkt: Statt der mehr als 30 min, in denen Pfosten für Pfosten zu verlöten sind, beläuft sich die Verarbeitungszeit in der Einpresstechnik für jedes Powermodul auf weniger als 1,5 s. Das Kostensenkungspotenzial allein durch diesen Zeitvorteil ist signifikant. Die dafür benötigten Werkzeuge sind zudem einfach in der Anwendung und kostengünstig in der Anschaffung.

Elemente des Pressverfahrens

Das Grundprinzip der Einpresstechnik besteht darin, Kontaktstifte in ein Loch auf der Leiterplatte zu pressen, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Stifte ist. Auf diese Weise ist es möglich, gasdichte, elektrisch hoch leitfähige Verbindungen herzustellen, deren Belastbarkeit und Haltbarkeit hoch ist. Das Verfahren wird auch als Kaltschweißtechnik bezeichnet. Einpresskraft, Haltekraft und Übergangswiderstand lassen sich jeweils genau definieren, so dass mehrere Verfahrensvarianten möglich sind, die sich je nach Anwendungsbereich anbieten.

Bei der Fertigung selbst kommt es zu keinerlei thermischen Belastungen, was insbesondere für Leiterplatten ein Vorteil ist, ohne dass die Verbindungsqualität sinken würde. Auch ist die Verbindung gegen klimatische Belastungen und Korrosion geschützt, was sie für die Einsatzbereiche bei erneuerbaren Energien interessant macht. Zudem ist die Verbindung im Servicefall, bei Reparaturen oder Retrofit-Maßnahmen leicht wieder zu lösen und nicht minder leicht wieder herzustellen. In der konventionellen Verarbeitung müssten die Lötverbindungen im Rework-Prozess mit deutlich höherem Aufwand getrennt und neu hergestellt werden. Die Kostensenkungspotenziale sind auch hier klar zu erkennen.

Sensitive Einpresstechnik mit Autosense

Die Harting Technologiegruppe setzt das konventionelle Einpressverfahren seit einigen Jahrzehnten erfolgreich ein und kann deshalb auf große Erfahrungen beim Einsatz und bei der Einführung des Verfahrens zurückgreifen. Das ist gerade für die Implementierung des Verfahrens in einer noch jungen Branche wie den erneuerbaren Energien von entscheidender Bedeutung, kann das Unternehmen doch beim Technologietransfer effektive Unterstützung leisten. Zulassungshürden lassen sich zudem auf diese Weise schnell überwinden.

Als Hauptwerkzeug kommen Hartings Einpressmaschinen der Serie „CPM prestige“ zum Einsatz. Sie arbeiten mit einer Einpresskraft von 100 kN (das entspricht einer Masse von ca.10 t). Der wesentliche Unterschied ist jedoch Hartings proprietäre Technologie Autosense. Mit dem automatischen Abschaltprinzip lässt sich der Einpressvorgang präzise steuern: Im elektronisch gesteuerten Einpressvorgang wird die Kraft-Weg-Kurve gemessen und die Verbindung auf diese Weise präzise hergestellt. Das Verfahren ist flexibel weil es auf die notwendigen Einpressdrücke abhebt und nicht auf die Spezifikation der jeweiligen Komponenten.

Auf diese Weise erreicht die Einpressverbindung immer eine deutlich höhere Qualität, als die konventionelle Vorgehensweise: Im direkten Vergleich mit den im Einpressverfahren lange Zeit eingesetzten Handpress- und Hydraulikmaschinen spielt Autosense seine Vorteile aus, weisen doch beide Verfahren hohe Fehlerquoten auf. Handpressmaschinen sind viel zu unpräzise und unregelmäßig in der Anwendung, als dass mit ihnen akzeptable Ergebnisse zu erzielen wären. Hydraulikmaschinen hingegen sind erheblich ungenauer im Pressverfahren, da sie deutlich über die geforderten Anpresskräfte hinaus einwirken. Dadurch werden Leiterplatten entweder beschädigt oder die Pressung erreicht nicht die gewünschte Einpresstiefe. Auch ist es stets nötig, Handpress- und Hydraulikmaschinen auf die jeweiligen Produkte neu anzupassen, was den Zeitaufwand erheblich steigert. Ganz anders setzt Hartings Prozesstechnik Autosense an: Da es den jeweils gewünschten Einpressdruck umsetzen kann, entfallen alle Anpassungsmaßnahmen, die ansonsten beim Wechsel des Moduls notwendig wären.

Ein Touchmonitor ermöglicht die schnelle und effiziente Steuerung und Kontrolle des Vorgangs. Die Maschine kann Leiterplatten von bis 1000 mm x 600 mm verarbeiten, wobei eine parallele Fertigung von Steckverbindern und Modulen gleichfalls möglich ist. Autosense wird nach Kundenspezifikationen oder in Standardausführungen ausgeliefert. (mrc)

(mrc)