Korrosionsschutz beim Crimpen durch Selective Metal Coating

Der Zulieferer Aptiv hat jetzt mit Selective Metal Coating (SMC) eine Technologie entwickelt, die durch die gezielte Beschichtung der Crimpstellen den Korrosionsschutz im Terminaldesign mit integriert. Daraus resultiert eine Funktionssicherheit der Bauteile weit über die geforderte Lebensdauer hinaus.

Bild 1: Die neuen Aptiv Crimps mit Selective Metal Coating-Technologie (SMC) bieten effektiven Korrosionsschutz bei geringem Aufwand. Aptiv

Batterie- und Masseleitungen aus Aluminium im Querschnittsbereich von 10 bis 120 mm² sind im Bordnetz schon seit einigen Jahren in Serie. Mittlere und kleine Querschnitte von 0,5 bis 6,0 mm² hingegen unterliegen zusätzlichen Spezifikationen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und sind bisher weniger etabliert.

Durch ein hohes Maß an Robustheit der SMC-Crimps (Bild 1) steht einem breiteren Einsatz von Aluminiumkabeln mittlerer und kleiner Querschnitte im Bordnetz nun nichts mehr entgegen.

Geringere Kosten und weniger Gewicht durch Selective Metal Coating

Die Automobilhersteller profitieren von der SMC-Technologie umfassend. Ein höherer Aluminiumanteil im Bordnetz verringert die Auswirkungen auf die eigene Preiskalkulation, im Gegensatz zu Kupfer mit stark schwankenden Marktpreisen. Auch ist Kupfer etwa dreimal teurer als Aluminium (Bild 2). Viele asiatische OEMs nutzen diesen Vorteil und setzen in neuen Modellen bereits in hohem Maße Aluminiumkabel ein.

Aluminium hat mit 2,69 g/cm³ eine wesentlich geringere Dichte als Kupfer mit 8,96 g/cm³. Aptiv hat hochgerechnet, dass der konsequente Einsatz von Aluminium in einem heutigen Bordnetz bis zu 48 % des Eigengewichtes einsparen könnte. Dieser Spareffekt wirkt sich um so schwerer aus, wenn durch zunehmende Elektrifizierung der Fahrzeuge und das autonome Fahren umfangreichere und somit schwerere Bordnetze aufkommen.

Aptiv schätzt, dass bei einem voll autonomen E-Fahrzeug durch die vielen zusätzlichen Elektronikkomponenten und erforderlichen Redundanzen das Bordnetz um etwa 60 % an Eigengewicht zulegen wird, verglichen mit der heutigen Fahrzeugverkabelung. Beispielsweise wiegen heutige E/E-Architekturen bei SUVs bereits bis zu 70 kg. Hier kann der Einsatz von Aluminiumkabeln Gewichtseinsparungen im deutlich zweistelligen Bereich erreichen und somit den Energieverbrauch senken.

Bild 2: Der Weltmarktpreis für Kupfer ist sehr volatil und deutlich höher als der für Aluminium. Aptiv

SMC ist einfach ins Bordnetz integrierbar

Die Markteinführung der SMC-Technologie von Aptiv steht in den nächsten Monaten bei europäischen Automobilherstellern bevor. Insgesamt lassen acht erfolgreiche Flottentests seit 2016 bei vier OEMs auf weitere Serieneinsätze in den nächsten Jahren schließen. Die Prämierung der SMC-Technologie mit dem renommierten PACE-Award im Frühjahr 2018 in Detroit bestätigt die Aptiv-Innovation.

SMC-Terminals sind sehr einfach in das Bordnetz integrierbar. OEMs können die bisherigen Kontakte von Aptiv einfach durch die neuen SMC-Terminals austauschen und parallel dazu auf Aluminiumkabel umstellen. Dieser Vorgang kann sukzessive auch in der laufenden Serie bei Facelifts und Modellwechseln erfolgen und damit sofort Gewichtseinsparpotenziale erschließen.

Gewichtsstudien an aktuellen Fahrzeugmodellen zeigen auf, dass man mit dem aktuellen Portfolio an SMC-Terminals bei vielen Kabeln Kupfer durch Aluminium ersetzen und dadurch sofort bis zu 2 kg Masse einsparen kann. Zudem ist die SMC-Beschichtungstechnologie für neue Terminal-Familien von Aptiv verfügbar, sodass der Werkstoffwechsel für weite Teile des Bordnetzes realisierbar ist.

Die Korrosion in ihrer Reaktion behindern

Aluminium direkt in Kontakt mit Kupfer bedeutet zwei Metalle mit unterschiedlichem elektrochemischen Potenzial. Ohne Elektrolyten ist keine galvanische Korrosion zu erwarten. Wenn jedoch – was in einem Fahrzeugleben nicht auszuschließen ist – zusätzlich ein Elektrolyt, wie etwa Salzwasser, in den Fahrzeuginnenraum eindringt, könnte galvanische Korrosion eine ungeschützte Kontaktierung zwischen Kupfer und Aluminium schädigen. Aptiv hat mit der mehrfach patentierten SMC-Technologie einen Korrosionsschutz praktisch mit in das Terminaldesign integriert. Das SMC-Terminal wird aus feuerverzinntem Kupferband gefertigt und anschließend mit zwei galvanisch aufgebrachten Schutzschichten versehen, zuerst mit einer Kupfer-Zink-Legierung (Messingschicht), anschließend erfolgt eine Verzinnung der Oberfläche.

Beide Beschichtungen reduzieren das elektrochemische Potenzial und verlangsamen unter Elektrolyteinwirkung die Diffusion der reaktiven Stoffe, in diesem Fall der Kupfer- und Chloridionen. Die Kupfer-Zink-Schicht wirkt unter anderem als Barriereschicht. Das Chlorid als mobiles Element verteilt sich homogen in der äußeren Zinnschicht, dadurch wird es in seinem Diffusionsverhalten zum Kupfer hin verlangsamt. Anschließend verweilt das Chlorid in der Messingschicht und reagiert dort bevorzugt mit dem Zink. Solange Zink als Reaktionspartner zur Verfügung steht, dringt Chlorid nicht bis zur Kupferschicht vor. Das Kupfer aus der Messingschicht diffundiert nur sehr langsam in die darüber liegende Zinnschicht, sodass es als galvanisches Element erst spät zur Verfügung steht. Die Diffusion des Kupfers aus dem Basismaterial in die obere Zinnschicht durch die Messingphase hindurch ist zu vernachlässigen (Bild 3).

Bild 3: Zusätzliche Zinn- und Messing-Beschichtungen verhindern bei SMC die Reaktion von Kupfer- und Chloridionen. Aptiv

Eine solide elektrische Verbindung über Lebenszeit

Aus den erfolgreich bestandenen Korrosionstests lässt sich ableiten, dass die SMC‐Technologie das Auftreten von Korrosion weitgehend einschränkt und deshalb keine Funktionseinschränkung über die Bauteillebensdauer zu erwarten ist. Das liegt nicht zuletzt daran, dass bei einer offenen Crimpverbindung eindringende Feuchtigkeit schnell wieder trocknen kann. Ohne Elektrolyten – üblicherweise die normale Situation im Fahrzeuginnenraum – ist überhaupt keine galvanische Korrosion zu erwarten. Dies hatte Aptiv bei zahlreichen Testfahrzeugen und eigenen Flottentests überprüft.

In der Beschichtung der Crimps und der offenen Geometrie sieht Aptiv mehr Marktpotenzial als in geschlossenen Abdichtungskonzepten. Bei diesen muss das Terminal aufwändig rundum abgedichtet oder mit Additiven wie Lacken, Pulvern oder Fetten behandelt werden. Das erfordert zum Beispiel kostenintensive Fertigungsschritte oder spezielle Lagerfristen und macht den Produktionsprozess und die Logistikkette insgesamt komplexer. Ein weiterer Nachteil von herkömmlichen Abdichtkonzepten ist paradoxerweise die Abdichtung selbst. Sollte ein Elektrolyt diese Abdichtung durchdringen, kann die eingedrungene Feuchtigkeit nur sehr schwer wieder entweichen und durch ihren Verbleib im abgedichteten Bereich intensive Korrosionsprozesse herbeiführen.

Umfassende Vorteile

Neben den vorteilhaften Eigenschaften nutzt die SMC-Technologie auch günstige Standardprozesse. So erfolgt die Beschichtung wie gewohnt in der Bandgalvanik unter Serienbedingungen. Die Metallisierung ist kostengünstig und auf eine Vielzahl von Terminals übertragbar. Kurze Taktzeiten beim Crimpprozess sorgen bei Kabelkonfektionären für eine gute Anwendbarkeit und unterstützen Multiple-Sourcing-Strategien.

Somit leistet das Selective Metal Coating effektiven Vorschub beim Markteinstieg für maßgeschneiderte Bordnetze in Kupfer-Aluminium-Technologie. Zum einen bieten SMC-Terminals eine robuste Korrosions- und Übertragungssicherheit bei minimaler Beeinflussung der vorhandenen Produktionsprozesse. Zum anderen ermöglicht SMC einen zunehmenden Einsatz von gewichtsoptimierten Aluminiumkabeln in der E/E-Architektur und ist damit ein Wegbereiter für mehr Ressourcen- und Kosteneffizienz, von elektrifizierten Antrieben, und des Autonomen Fahrens.

(jwa)