Fehlerstromschutzeinrichtungen dienen dem Schutz von Personen gegen einen elektrischen Schlag sowie der Vermeidung elektrisch gezündeter Brände. So schalten Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter; F=Fehler, I =Stromstärke) die Stromversorgung sofort ab, wenn gefährlich hohe Fehlerströme auftreten. Dies kann der Fall sein, wenn eine Person ein nicht richtig isoliertes elektronisches Gerät berührt. Der FI-Schalter misst dafür den zu- und abfließenden Strom in einem Stromkreis. Liegt eine Differenz vor, wird der Stromfluss unterbrochen. Aufgrund gestiegener Sicherheitsstandards müssen FI-Schalter inzwischen in allen Steckdosen-Stromkreisen in Neubauten installiert werden. Für das 1956 gegründete Unternehmen Doepke steht daher bei der Herstellung der lebensrettenden Schalter die Qualität der sensiblen Elektronik an erster Stelle.

Luftdichte Tunnelwelle

In den von Doepke produzierten FI-Schaltern werden u.a. kleine Leiterplatten verbaut. Diese bereits mit SMD (Surface-mounted device) bestückten Flachbaugruppen werden im Werk in Norden mit bedrahteten elektronischen Bauteilen verbunden. Seit kurzer Zeit übernimmt diese Aufgabe eine Seho-Tunnelwelle. Die mittels Durchsteckmontage befestigten THT-Bauteile (z.B. Steckverbinder und Schalter) werden über einer Lötwelle aus flüssigem Lot fest mit der Leiterplatte verbunden. Der Vorgang findet in einem luftdichten Tunnel statt. Dieser ist mit einer künstlichen Atmosphäre aus Stickstoff gefüllt, um den Kontakt der Lötstellen mit Sauerstoff zu unterbinden und Oxidationen zu vermeiden. Zeitgleich mit der neuen Tunnelwelle kam der neue Stickstoffgenerator von Inmatec ins Werk.

Seho-Tunnelwelle

In der neuen Tunnelwelle werden die THT-Bauteile in bleifreiem Lot mit der Leiterplatte verbunden. Doepke

Der IMT PN 8820 PAN EcoTube Stickstoffgenerator verfügt über ein großes Touch Control Panel zu Überwachung und Steuerung aller Betriebswerte. Darüber hinaus kann der Generator auch über modernste Remote Management Technologie ferngewartet werden. Inmatec

Der IMT PN 8820 PAN EcoTube Stickstoffgenerator verfügt über ein großes Touch Control Panel zu Überwachung und Steuerung aller Betriebswerte. Darüber hinaus kann der Generator auch über modernste Remote Management Technologie ferngewartet werden. Inmatec

Durch die Verwendung von Stickstoff sind nun bleifreie Zinn-Legierungen mit antioxidierenden Eigenschaften als Lot verwendbar, die ebenso glänzende Lötstellen wie Blei ermöglichen. Auch der Feststoffanteil der verwendeten Flussmittel, die eine bessere Benetzung der zu verbindenden Stücke mit dem Lot bewirken, konnte durch den N2-Schutz von 3,5 Prozent auf 1,2 Prozent verringert werden. Seither müssen die Leiterplatten, die zuvor Rückstände in Form eines klebrigen Überzugs aufwiesen, nach dem Lötvorgang nicht mehr aufwändig gereinigt werden.

Im Kern des FI-Schalters befindet sich ein Summenstromwandler. Dieser besteht aus mindestens einem stromführenden Phasenleiter und einem Neutralleiter (Primärwicklungen), die von einem Ringkern umgeben sind. Tritt ein Fehlerstrom auf, der einen bestimmten Wert überschreitet (Bemessungsfehlerstrom), entsteht ein magnetischer Fluss im Ringkern, der in einer sogenannten Sekundärwicklung eine Spannung induziert. Dieser Sekundärstrom löst über einen Haltemagnet-Auslöser ein Schaltschloss aus, das den Stromkreis unterbricht. Zum Verlöten der Primärwicklungen werden zwei Selektiv-Lötanlagen im Werk eingesetzt. In den Anlagen werden diese mithilfe einer Lötdüse, die Lötzinn ausströmt, fest mit der Schaltereinheit verbunden. Die Verbindung erfolgt unter einem ständigen Stickstoff-Gasstrom, der den Kontakt von Sauerstoff mit der Lötstelle und Oxidationen unterbindet. Die Ebso-Anlagen, die normalerweise bei der THT-Bestückung von Leiterplatten Anwendung finden, wurden hierfür extra nach Vorgaben von Doepke umgebaut. Ein Einsatz, der sich gelohnt hat. Zuvor wurden die Primärstromkreise einzeln per Hand gelötet. Mit dem neuen Verfahren und der Zugabe von Stickstoff wird nun Krätzebildung vermieden sowie der Lot- und Flussmittelverbrauchreduziert. Eine verbesserte Lötqualität und die dras-tische Reduzierung von Nacharbeiten und Reparaturen sind das Ergebnis.

Im Container befindet sich neben dem Stickstoffgenerator auch ein N2-Pufferspeicher von Inmatec

Im Container befindet sich neben dem Stickstoffgenerator auch ein N2-Pufferspeicher. Inmatec

Laserschweißen mit N2

Ein weiteres Einsatzgebiet für Stickstoff ist das Laserschweißen. In einem modernen Trumpf-Laserschweißgerät erfolgt die Zusammenführung von Magneten zu Magnetsystemen. Diese werden im Haltemagnet-Auslöser und damit an einer höchst sicherheitsrelevanten Stelle des FI-Schalters verwendet, da dieser das Auslöseverhalten des Schalters steuert. Hier wird Stickstoff sowohl als Prozessgas als auch als Schutzgas verwendet. So hilft es bei der Herstellung qualitativ hochwertiger Verbindungen und verhindert unerwünschte chemische Reaktionen mit Sauerstoff wie Korrosionen und Verbrennungen.

Produziert wird der Stickstoff von einem Stickstoffgenerator des Typs IMT PN 8820 PAN Eco Tube, der direkt neben der Werkshalle in einem Container untergebracht ist. Er versorgt die Löt- und Schweißanlagen, die im Zweischichtbetrieb laufen, mit 40 Nm3 Stickstoff pro Stunde. Der Stickstoffgenerator verfügt über die Drucklastwechsel (PSA)-Technologie, bei der sterile Druckluft mehrere mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllte Tubes durchströmt. Gemeinsam mit einer neuartigen Blockventiltechnologie ermöglichen diese es, mehr Stickstoff bei geringerer Druckluft zu generieren. So können bis zu 45 Prozent Druckluft sowie damit verbundene Energiekosten eingespart werden. Sauerstoff- sowie Kohlendioxidmoleküle aus der Umgebungsluft werden im Sieb gebunden, während die freien Stickstoffmoleküle in den Produkttank strömen. Der trockene Stickstoff mit einer Reinheit von 99,995 Prozent wird ins Stickstoffnetz gepresst und kann nun in den verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt werden.

Die Inmatec Container-Lösung vor der Werkshalle.

Die Inmatec-Container-Lösung befindet sich vor der Werkshalle. Inmatec

„Mit unseren über 230 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern produzieren wir innovative Lösungen für eine sichere Nutzung von Strom. Um dies zu gewährleisten, müssen die Produktionsprozesse so optimiert sein, dass unsere Produkte immer die höchste Qualität aufweisen. Stickstoff spielt in vielen unserer Fertigungsprozesse eine wichtige Rolle. Die Inmatec-Lösung zur Stickstofferzeugung vor Ort ist äußerst zuverlässig und entspricht genau unseren Bedürfnissen. Bei der Auswahl spielten auch die Kosten eine zentrale Rolle. Der Preis des selbst erzeugten Stickstoffs inklusive der benötigten Druckluft liegt bei unserem Verbrauch weit unter den Kosten eines Tanks oder von Flaschenbündeln. Die Investition ist bereits nach wenigen Jahren amortisiert. Darüber hinaus müssen wir uns keine Gedanken zum Verbrauch und zu Lieferzeiten von Flaschen machen“, so Udo Ahrends, Betriebsleiter von Doepke Schaltgeräte in Norden.

 

Eck-daten

Stickstoff (N2)ist nicht reaktiv, farblos und ungiftig und kommt als Schutzgas in verschiedenen Prozessen zum Einsatz. Für bleifreie Lötprozesse ist der Einsatz von Schutzgas nicht zwingend erforderlich, hat jedoch Vorteile. Der Grund: Bleifreie Lote haben eine höhere Bearbeitungstemperatur als bleihaltige, was zu deutlich höheren Oxidationen führt. Eine Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff reduziert die Oxidation und verbessert die Lötqualität.