Robuste Aluminium-Gehäuse für die Hutschiene

Damit elektronische Geräte störungsfrei arbeiten können, ist es unabdingbar, dass die Hardware in schützenden Gehäusen untergebracht wird. Gehäuse dienen dazu, die Elektronik vor negativen Einflüssen wie Verschmutzung und Feuchtigkeit zu bewahren und sorgen gleichzeitig für eine sichere und ordnungsgemäße Implementierung der elektronischen Komponenten.

In vielen industriellen Anwendungen ist es oft notwendig, die Gehäuse schnell und sicher auf Hutschienen zu montieren. Aufgrund des individuellen Anwendungsspektrums bieten Hersteller wie die Fischer Elektronik ein breites Produktsortiment an Gehäusen, die optional mit passenden Hutschienenbefestigungen ausgestattet werden können.

DIN-Schienen als Träger für elektronische und elektromechanische Betriebsmitteln

Bei einer Hutschiene handelt es sich um eine standardisierte Tragschiene (im englischen DIN Rail). Tragschienen wurden in den 1920er Jahren entwickelt, um die Installation von elektronischen und elektromechanischen Betriebsmitteln wie beispielsweise Relais oder Reihenklemmen zu erleichtern. Es haben sich verschiedene Tragschienen mit unterschiedlichen Geometrien und Abmessungen entwickelt, die heute in der Norm DIN EN 60715 beschrieben werden. Darunter die TH35, welche als „Hutschiene“ bezeichnet wird, da ihre Profilgeometrie einem Hut ähnelt. Hutschienen sind 35 mm breit und 7,5 mm oder 15 mm hoch. Die Materialstärke variiert zwischen 1 mm, 1,5 mm und 2,3 mm. Sie finden Anwendung in Schaltschränken, Verteilerkästen sowie Steuerungsanlagen, und sind die am häufigsten verwendeten Tragschienen (Bild 1).

Das breite Anwendungsspektrum auf der Hutschiene erfordert ein ebenso breites Angebot an Hutschienengehäusen. Hutschienengehäuse werden aus verschiedenen Materialien gefertigt. Je nach Anforderungen und Einsatzzweck werden Hutschienengehäuse aus Kunststoff, Aluminium oder Stahl verwendet. Während Kunststoffgehäuse leichter und oft auch preiswerter als Stahl- oder Aluminiumgehäuse sind, erweisen sich Stahl- und Aluminiumgehäuse wiederum als temperaturbeständiger und formstabiler.

Aluminium ist ein häufig verwendetes Material zur Herstellung von Gehäusen für elektronische Systeme. Es ist mit einer Dichte von 2,71 g/cm³ leichter als Stahl, verfügt jedoch über eine vergleichbare Belastungsfähigkeit. Die Basis der meisten Gehäuse der Firma Fischer Elektronik bilden stranggepresste Tubus- oder Halbschalenprofile, welche aus der Knetlegierung EN AW 6060 hergestellt werden. Diese Legierung lässt sich leicht umformen, ohne dabei an Festigkeit zu verlieren. EN AW 6060 eignet sich aufgrund dessen besonders gut für das Strangpressverfahren.

Das Strangpressverfahren ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von Profilen mit einfachen als auch mit komplexen Konturen. Auch die Wärmeableiteigenschaft von Aluminium macht diesen Werkstoff interessant für die Herstellung von Gehäusen für elektrische Systeme. Die Aluminiumlegierung EN AW 6060 verfügt über eine Wärmeableitfähigkeit von bis zu 210 W/(mK). Somit können Aluminiumgehäuse effizient dazu beitragen die Verlustleistungen der elektronischen Systeme an die Umgebung abzuleiten.

Tubus- und Halbschalengehäuse

Aufgrund der zahlreichen, positiven Eigenschaften und der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten sind stranggepresste Aluminiumprofile eine beliebte Wahl in der Gehäusekonstruktion. Sämtliche Aluminiumprofile verfügen über diverse zweckdienliche Konturelemente, die schon beim Strangpressen eingeformt wurden. Stets vorhanden sind Führungsnuten, die eine einfache und sichere Aufnahme von Montage- oder Leiterplatten gewährleisten, oder Schraubkanäle, welche zur Befestigung der Deckelplatten dienen. Die Profile bilden den Grundkörper der Gehäuse. Ob sich ein Anwender für ein Tubus- oder Halbschalenprofilgehäuse entscheidet, häng letztendlich von der spezifischen Anwendung ab.

In einer rauen Umgebung mit starker Verschmutzung eignen sich besonders Tubusprofilgehäuse. Tubusprofile werden front- und rückseitig mit Deckelplatten verschlossen und bilden somit eine robuste und widerstandsfähige Gehäusekonstruktion. Dank dieser geschlossenen Konstruktion und zusätzlichen Dichtungen, welche zwischen dem Profil und den Deckelplatten platziert werden, schützen sie die Elektronik besonders gut vor äußeren Störeinflüssen wie Schmutz, Staub oder Spritzwasser.

Halbschalengehäuse, wie beispielsweise Kombinationsgehäuse, wiederum erlauben die unkomplizierte Integration von Leiterplatten, deren Elektronikkomponenten nicht nur front- und rückseitig durch mechanisch eingebrachte Öffnungen nach außen geführt werden müssen, sondern auch oberhalb oder seitlich. Kombinationsgehäuse bestehen aus zwei gegeneinander gesteckten Aluminium-Halbschalen-Profilen unterschiedlicher Form und Größe, sowie mit unterschiedlichen funktionellen Eigenschaften. Die front- und rückseitigen Deckelplatten bilden hierbei nicht nur den Abschluss der Gehäuse, sondern fixieren zudem die Halbschalen. Kunden bietet sich die Möglichkeit aus einem Sortiment diverser Halbschalen zwei zur Anwendung passende Favoriten zu „kombinieren“.

Zur Auswahl stehen Halbschalenprofile mit Konturelementen wie beispielsweise T-förmige Einschiebekanäle zur Aufnahme von Befestigungssätzen, die dem Einbau von ungenormten Leiterkartenformaten dienen, oder spezielle Nut-Geometrien für die Integration von Transistoren.  In Bereichen, in denen die Entwärmung der Elektronik besonders erschwert wird und der Einsatz von Lüftern nicht möglich ist, empfehlen sich Halbschalen die mit einer außenliegenden Kühlrippengeometrie versehen sind. Die Kühlrippen dienen einer Vergrößerung der Gehäuseoberfläche, was zu einem besseren Energieaustausch mit der Umgebungsluft führt, und somit die ohnehin schon gute Wärmeableitfähigkeit des Aluminiums unterstützt. Gehäuseprofile, die über eine Kühlrippengeometrie verfügen, fungieren nicht nur als physische Barriere gegen negative äußere Einflüsse, sondern dienen auch als passiver Kühlkörper (Bild 2).

Eine Alternative zu Profilgehäusen bilden universelle Blechschalengehäuse. Während Profilgehäuse in ihren Abmessungen durch die formgebenden Profile in Höhe und Breite festgelegt sind, bieten Blechschalen mehr Freiheit für individuelle Gehäuseabmessungen. Zur sicheren Befestigung der Leiterplatten, sind die Unterschalen mit fest integrierten Gewindebuchsen versehen. Die Position und die Höhe der Gewindebuchsen sind ebenso frei wählbar wie die Gehäuseparameter selbst. Für Anwendungen, die eine spezielle Entwärmung fordern, werden Gehäuseausführungen mit integrierten Kühlkörperprofilen angeboten.  Diese Gehäuse-Variante bietet den Vorteil von variablen Gehäuseparametern in Verbindung mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften. Die Firma Fischer Elektronik offeriert hierzu ein breites Sortiment von Kühlkörperprofilen mit verschiedenen Breiten, Höhen und mit unterschiedlichen Wärmeableitwerten (Bild 3).

Für eine sichere Montage auf eine Hutschiene müssen die Gehäuse über entsprechende Befestigungsmechanismen verfügen. Fischer Elektronik bietet Anwendern die Option eine der Standarddeckelplatten der Tubus- und Halbschalengehäuse durch Rückwände zu ersetzten, über die eine Befestigung an die Hutschiene TH35 gemäß DIN EN 60715 möglich ist. Die massiven Rückwände bestehen aus stranggepressten Aluminiumprofilen, die über eine speziell entwickelte Kontur, sowie über eine dort eingepresste Drahtformfeder aus rostfreiem Stahl verfügen. Der aus Kontur und Drahtformfeder resultierende Aufrast-Mechanismus bewirkt eine schnelle und werkzeuglose Montage auf die Hutschiene. Die Gehäuse können somit leicht von vorne auf Hutschienen mit unterschiedlichen Dicken (1 – 2,3 mm) aufgesteckt und arretiert werden.

Eine weitere Befestigung ist nicht mehr erforderlich. Die Lage der Befestigungskontur auf der Rückwand wurde so gewählt, dass sich die Gehäuse mittig zur Hutschiene positionieren. Wünschen Kunden eine andere Positionierung, oder soll die Befestigung des Gehäuses auf der Hutschiene nicht über die Rückwand erfolgen, sondern über das Profil, so bieten sich alternativ universelle Klammerbefestigungen an. Sie bestehen ebenfalls aus stranggepressten Aluminiumprofilen inklusiv der bereits erwähnten Kontur und Drahtformfeder. Die Klammerbefestigungen können mithilfe von Schraubverbindungen an jeder gewünschten Position sowohl an Profilgehäusen als auch an Blechgehäusen montiert werden. Die robusten Klammerbefestigungen sowie die Rückwände garantieren selbst bei Schock- und Vibrationsbelastungen einen festen Sitz (Bild 4).

Bei den angebotenen Standardgehäusen handelt es sich um Leergehäuse, welche später von Anwendern individuell mit Elektronikkomponenten bestückt werden. Dies erfordert in den meisten Fällen auch eine individuelle Modifikation der Gehäuse. Zu den Kernkompetenzen von Fischer Elektronik gehört neben der Entwicklung funktioneller Gehäuse ebenfalls deren mechanische Bearbeitung. Diese umfasst Fräsen, Stanzen, Lasern sowie das Einbringen von Schweiß- und Einpressverbindern. Mittels aktueller CNC-Bearbeitungszentren und Automaten lassen sich anwenderspezifische Anpassungen leicht realisieren. Da die stranggepresste Profilmeterware bei Fischer Elektronik zwischengelagert und erst später zugeschnitten wird, können Kunden die Gehäuse auch mit kundenspezifischen Längen bestellen. (na)