Die Lebensdauer elektronischer Fahrzeugkomponenten verlängern

Unabhängig davon, ob es sich um Kompressoren, Pumpen, Motoren, Steuergeräte oder Sensoren der zunehmend eingesetzten aktiven Sicherheitssysteme handelt: Elektronische Bauteile sind starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, die beispielsweise dadurch entstehen, dass die im Betrieb erhitzten Gehäuse mit kaltem Spritzwasser auf der Straße oder in der Waschanlage in Berührung kommen. Temperaturschwankungen können zu starkem Über- oder Unterdruck in den Elektronikgehäusen führen, die Dichtungen und Dichtelemente so stark beanspruchen, dass Schmutzpartikel und Flüssigkeiten in die sensible Elektronik eindringen, diese korrodieren und die Lebensdauer des Bauteils verkürzen. Beschädigte oder defekte Komponenten müssen in der Regel ausgetauscht werden, was bei Automobilherstellern und -zulieferern zu hohen Garantie- und Reparaturkosten führt.

Bild 1: Die Grafik zeigt, wie sich der Unterdruck bei einem hermetisch versiegelten Gehäuse kontinuierlich aufbaut. In nicht belüfteten Gehäusen können 7 kPA Druck bereits dazu führen, dass Dichtungen nach mehreren Temperaturzyklen undicht werden. BelüfteGore

Herausforderung: Elektronik und Batterien in E-Fahrzeugen

Eine besonders große Herausforderung stellt das Thermomanagement der Hochleistungselektronik und Batterien in Elektrofahrzeugen dar, die nur in einem bestimmen Temperaturbereich ihren optimalen Leistungsgrad erreichen. Die Komponenten werden im Betrieb oft sehr heiß und müssen flüssig gekühlt werden. Dadurch sind die Temperaturunterschiede bereits in der Elektronikeinheit so hoch, dass sich an der kältesten Stelle im Gehäuse Kondensat bilden kann, das wiederum zu Korrosion oder zu einem Kurzschluss führen kann. Bei großen Batteriegehäusen nimmt diese Problematik eine Dimension an, die ohne effektive Maßnahmen zum Temperatur- und Druckausgleich nur schwer zu lösen ist. Aufgrund der Größe solcher Gehäuse wirkt schon bei geringen Temperaturunterschieden ein so hoher Druck auf das Gehäuse, dass es deformiert werden kann. Die Fahrt aus der warmen Garage in die kühle Winterluft kann unter Umständen ein Vakuum im Inneren erzeugen, das mit einer Last von 500 kg auf einer Fläche von einem Quadratmeter wirkt. Einer solchen Druckspitze hält ein in Leichtbauweise ausgelegtes Gehäuse kaum stand.

Bild 2: Mit steigender Porengröße der Membran erhöht sich zwar der Luftdurchsatz, aber gleichzeitig sinkt auch der Wassereintrittsdruck.Gore

Membran-Technologie: Luft- und Druckausgleich sicherstellen

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, wie OEMs auf diese Probleme reagieren: Erstens können Elektronikbauteile in das Gehäuse eingegossen werden. Auf diese Weise entsteht zwar ein dichtes System, das allerdings mit einer nicht unerheblichen Gewichtszunahme einhergeht und sich bei einem Defekt weder öffnen noch reparieren lässt. Hermetisch abgedichtete Systeme können zweitens auch durch die Verwendung hochwertiger Dichtungen und dicker Gehäusewände erreicht werden. Die Nachteile einer solchen Lösung: Die Komponenten sind teurer und unnötig schwer. Wesentlich sinnvoller und weit verbreitet ist der Einsatz einer Membran, die in einem geschlossenen Gehäuse für Luftausgleich sorgt und gleichzeitig verhindert, dass Flüssigkeiten und Schmutzpartikel eindringen.

Bild 3: Unterhalb der schwarzen Querlinie beeinträchtigt die Chemikalienbeaufschlagung die Membrane. Die getestete Membran ist für das Benetzen mit (Ent-)Konservierungsmittel nur bedingt geeignet, liegt für alle anderen getesteten Chemikalien jedoch innerGore

Wichtige Charakteristika für Membran-Lösungen: Luftdurchsatz und Wassereintrittsdruck

Der Luftdurchsatz (Airflow) und der Wassereintrittsdruck (Water Entry Pressure) sind die beiden wesentlichen Charakteristika, die die Eigenschaften einer Membran bestimmen. Der Luftdurchsatz gibt an, wie viel Luft in einer bestimmten Zeit und bei einem bestimmten Differenzdruck die Membran passiert. Damit wird die Zeit definiert, in der ein Über- oder Unterdruck ausgeglichen werden kann. Der Wassereintrittsdruck ist der hydrostatische Druck, dem die Membran mindestens standhalten muss, bevor eine Leckage entsteht. Beide Kenngrößen sind unter anderem von der Porengröße der Membran abhängig. Aufgabe der Membran-Anbieter ist es, für jede Belüftungsanwendung die optimale Balance zwischen Airflow und Water Entry Pressure zu finden.

Die große Herausforderung hierbei ist der Trend zu immer kompakteren Elektronikbauteilen. Damit müssen auch die Belüftungselemente kleiner werden, um optimal in die kleinen Gehäuse integriert werden zu können. Das wiederum erfordert einen höheren Luftdurchsatz pro Membranfläche. Die Folge ist ein geringerer Wassereintrittsdruck (Bild 2).

Um die Dichte eines Systems zu bewerten, werden typischerweise die IP-Schutzgrade (nach DIN 40050-9) bestimmt. Dieser Test überprüft den IP-Schutzgrad des elektronischen Gehäuses gegenüber festen Objekten und Flüssigkeiten. Der IP-Schutzgrad wird in zwei Ziffern angegeben: IPXY. Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad gegenüber festen Objekten an – die zweite Ziffer den Schutz gegen Flüssigkeiten. Die Schutzart IPX9K zeigt auf, wie gut das Gehäuse inklusive der Membran vor Wassereintritt durch Dampfstrahl geschützt ist.

Bild 4: Funktionsprinzip einer Membran.Gore

Für diesen Test wird das Gehäuse inklusive der integrierten Membran in einer Testkammer aus einer Entfernung von 100 bis 150 mm aus einem Winkel von 0, 30, 60 und 90 Grad mit einem Dampfstrahl bestrahlt. Der Volumenstrom beträgt hierbei zwischen 14 und 16 l/min, der Wasserdruck 8000 bis 10.000 kPa und die Temperatur 80 °C.

Chemikalienbeständigkeit einer ePTFE-Membran

Gore verwendet PTFE (Polytetrafluorethylen) – ein Material, das sich durch seine einzigartige Mikrostruktur für Belüftungsanwendungen auszeichnet. Das PTFE-Rohmaterial wird in einem speziell entwickelten Verfahren gereckt, sodass eine feinporige Membran entsteht, bei der die Knotenstellen durch feine Fasern miteinander vernetzt sind. Das so entstandene Material wird als „expandiertes Polytetrafluorethylen“ oder ePTFE bezeichnet und verfügt aufgrund der geringen Menge freier Oberflächenenergie über ausgezeichnete hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaften, sodass Wasser, das auf der Oberfläche Tropfen bildet, die Membranstruktur nicht durchdringen kann. Gleichzeitig ist die Membran auch oleophob (ölabweisend) und stößt Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung, wie zum Beispiel Öle ab. Die ölabweisenden Eigenschaften der Membran spielen vor allem in der Kraftfahrzeugbranche eine große Rolle, da hier die Wahrscheinlichkeit sehr groß ist, dass Bauteile mit Motorenöl, Reinigungsmitteln und anderen Kfz-Flüssigkeiten in Berührung kommen.

Bild 5: Dichtigkeitstest gemäß IP.Gore

Gore testet seine Belüftungslösungen auf ihre Beständigkeit gegen bis zu 20 verschiedene Chemikalien (nach ISO 16750-5). Hierfür werden die Vents mit der Testflüssigkeit in Kontakt gebracht und anschließend 24 Stunden lang bei Zimmertemperatur (21 bis 23 °C) oder 96 Stunden lang in einem Ofen erhitzt. Vor und nach dem Test werden Luftdurchsatz und der Wassereintrittsdruck getestet: Beide Ergebnisse müssen innerhalb der vorgegebenen Spezifikationen liegen (Bild 3).

Temperaturbeständigkeit von ePTFE

Ein weiterer Vorteil von PTFE ist die äußerst hohe Temperaturbeständigkeit in einem Bereich von -150 bis +240 °C – eine Eigenschaft, die sich vor allem vor dem Hintergrund des Trends, Motoren bei gleicher oder zunehmender Leistung weiter zu verkleiden, als wichtig erweist. Denn dadurch wird die Temperatur von 125 °C, auf die elektronische Gehäuse im Motorraum bislang häufig ausgelegt waren, meist überschritten. 150 °C und mehr sind keine Seltenheit mehr.

Bild 6: Temperatur-Eisschock-Test.Gore

Gore testet seine Vents mehrfach auf ihre Temperaturbeständigkeit hin (ISO 16750-4): Zum einen durch den „Temperature Resistance Test“, für den das Belüftungselement 2000 Stunden lang einer Maximaltemperatur von bis zu 150 °C beziehungsweise für 1000 Stunden -40 °C ausgesetzt wird. Der zweite wichtige Test ist der sogenannte „Ice Dunk Test“: In einem versiegelten Gehäuse wird das Vent in einem Ofen 40 bis 60 Minuten lang auf eine Temperatur zwischen 80 und 125 °C erhitzt. Anschließend wird das Gehäuse blitzschnell in Eiswasser, das 5 % Natriumchlorid enthält, auf 0 bis 4 °C abgekühlt. Diese Lösung simuliert Salzwasser, mit dem Elektronikgehäuse im Winter in Berührung kommen. Dieses Procedere wird zehn bis 20 Mal wiederholt. Die Belüftungseigenschaften werden sowohl vor als auch nach dem Test gemessen.

Membranlösungen in unterschiedlichen Konfigurationen

Angesichts der unterschiedlichen Anwendungen und Anforderungen, ist es entscheidend, die individuell passende Membran auszuwählen. Gore bietet selbstklebende und verschweißbare Belüftungselemente sowie Kunststoff-Formteile an. Die selbstklebenden Gore-Vents sind mit einem Hochleistungshaftkleber beschichtet, der auf unterschiedlichen Metallen und Kunststoffen stark haftet. Die Anlieferung erfolgt auf einem leicht klebenden Träger, mit dem sowohl manuelles als auch maschinelles Aufbringen möglich ist. Der Haftkleber ist langlebig und hält selbst rauen Umgebungsbedingungen stand. Unter dem Einfluss extrem hoher Temperaturen und anspruchsvoller Chemikalien sind dem Haftkleber allerdings Grenzen gesetzt, sodass sich die Vents weniger für den Motorraum eignen. Sie sind für den Einsatz an Fahrzeugkomponenten prädestiniert, die weniger mit chemischen Flüssigkeiten in Berührung kommen, wie zum Beispiel Fahrzeugleuchten.

Bild 7: Hochtemperatur-Test.Gore

Gestanzte Be-/Entlüftungsscheiben zum Verschweißen lassen sich in unterschiedlichen Materialkombinationen und Größen herstellen und damit auf anwendungsspezifische Anforderungen zuschneiden. Sie kommen vor allem in Anwendungen zum Einsatz, bei denen das Gehäuse aus Kunststoff besteht, wobei die Befestigung auf dem Gehäuse durch Ultraschall-Schweißen erfolgt – ein Verfahren, das der Kunde selbst leisten muss. An der Schweißstelle schmilzt ein kleiner Teil des Gehäusematerials und fließt in die poröse Membranstruktur ein, was zu einer dichten festen Verbindung führt. Da der Schmelzpunkt des PTFE weit über seiner Schweißtemperatur liegt, leidet die Membran durch das Verfahren nicht. Diese Belüftungselemente bieten auch bei hohen Temperaturen und anspruchsvollen Chemikalien eine dauerhaft zuverlässige Lösung. Allerdings ist der Schweißprozess sehr anspruchsvoll und erfordert geeignete Schweißgeräte sowie entsprechend qualifiziertes Personal. Zudem müssen, um das Belüftungselement vor Dampfstrahl und mechanischen Beanspruchungen zu schützen, Schutzwände in das Gehäusedesign integriert werden, was aufwändig und kostenintensiv ist.

Eine Lösung, die sowohl anspruchsvollsten Umgebungsbedingungen standhält als auch einfach in der Integration ist, bieten die Kunststoff-Formteile (Molded Parts): Hier verarbeitet Gore die Membran in einem zusätzlichen Produktionsschritt weiter, zum Beispiel durch das Insert-Moulding-Verfahren, das die Membran direkt in den Spritzgussprozess des Kunststoffs integriert. Die Kunststoff-Formteile lassen sich dann durch Einschnappen in der Gehäuseöffnung befestigen. Dadurch ist die Membran vor mechanischen Beanspruchungen geschützt, ohne dass hierfür aufwändige, kostenintensive Schutzwände in das Gehäuse integriert werden müssten. Zudem sind keine Sondermaschinen und entsprechend qualifizierte Mitarbeiter erforderlich: Die Integration des Vents im Gehäuse erfolgt per Plug & Play.

Die individuelle Belüftungslösung

Damit die Belüftungslösung für die betreffende Anwendung sowohl die richtigen Spezifikationen erfüllt als auch die erforderlichen Tests durchläuft, wird Gore frühzeitig in die Entwicklung eines Kundenproduktes einbezogen. Nachdem alle Anforderungen definiert wurden, wählt Gore aus seinem Portfolio das passende Produkt aus oder entwickelt eine kundenspezifische Lösung, wenn besondere Anforderungen bestehen. So gelingt es dem Unternehmen in Zusammenarbeit mit OEMs und Automobilzulieferern, individuell die passenden Belüftungslösungen zu entwickeln, die nicht nur aktuelle Standards erfüllen, sondern auch zukünftige Anforderungen bereits berücksichtigen.

(av)