Sika Werke GmbH und FKT Formenbau und Kunststofftechnik GmbH

EMV-Funktionalität – Implementierung unmittelbar im Spritzgießprozess

Prozessbasierte Funktionsintegration beim Spritzgießen – Intelligente Hybridstrukturen zur topologie- und anforderungsgerechten Abschirmung von geschäumten Kunststoffgehäusen.

Die Herausforderung für die Industrie

Die Hersteller elektrotechnischer Geräte sind in Deutschland gesetzlich verpflichtet, die Abstrahlung elektrischer Einrichtungen auf andere Anlagen durch abschirmende Gehäuse zu minimieren. Sowohl die traditionelle Verwendung von „gewichtigen“ Metallgehäusen als auch das nachträgliche, mit hohen Kosten für das Postprocessing und die Logistik verbundene Lackieren spritzgegossener Kunststoffgehäuse sind mit Blick auf die Ressourceneffizienz mittel- und langfristig keine Lösung.

Entwicklung elektromagnetisch abschirmender Leichtbaugehäuse — v.l.n.r.: Folienmuster; Werkzeug mit konzeptbezogenen Einsätzen mit Zuschnittfixierung; Spritzgießfertigung, Varianten des hybriden Prototypengehäuses

Funktionsintegration im Prozess

Ziel des Forschungsprojektes „EMV+Light“ ist die Entwicklung von intelligenten Hybridstrukturen zur topologie- und anforderungsgerechten Abschirmung von geschäumten Kunststoffgehäusen, die unmittelbar im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Die mit einer leitfähigen Dichtung kombinierten Gehäuse sollen im Einsatz eine durchschnittliche Schirmdämpfung von mindestens 40 dB im Frequenzbereich von 30 MHz bis 6 GHz aufweisen. Mit der geforderten Funktionalität wird der Anspruch auf möglichst leichte, durch chemisches Schäumen hergestellte Erzeugnisse bei maximal möglicher Gestaltungsfreiheit (3D) für den Baugruppenentwickler verknüpft. Beispielhaft sind Anwendbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Wirkungseffizienz der Entwicklungen zu überprüfen.

Mit gebündelter Kompetenz zum Ziel

Die Implementierung der EMV-Funktionalität unmittelbar im Spritzgießprozess erfordert eine enge Verzahnung zwischen Bauteildesign, Material, Werkzeugentwicklung und Prozessführung. In Kooperation mit der Sika Werke GmbH (Sika) als Hersteller von Foliensystemen und der FKT Formenbau und Kunststofftechnik GmbH (FKT) als Werkzeugexperte, ist es gelungen, attraktive Alternativen zur herkömmlichen EMV-Implementierung aufzuzeigen.

Die Meilensteine

Die Entwicklung der werkzeug- und verfahrenstechnischen Lösungskonzepte für die Serienproduktion basiert auf den Stoffsystemen, die in Kombination mit thermoplastischen Materialien die EMV-Funktion garantieren. Der Fokus liegt dabei auf anwendungsabhängig aufgebauten Verbundfolien, die im Kern aus Aluminiumfolie bestehen. Leitfähige Additive werden komplementär in Betracht gezogen.

Die untersuchten Multi-Layer-Foliensysteme bestehen aus bis zu sieben Schichten und weisen je nach Aufbau Schichtdicken von 6 bis 100 µm auf. Durch die exzellente Verbundhaftung zwischen den Layern in Kombination mit einer Dehnbarkeit von über 45 % halten die Folien den Belastungen im Spritzgießprozess stand und kompensieren den Schwindungsunterschied zum Kunststoff.

Während Sika das Knowhow bei der Entwicklung und Herstellung der abschirmenden Foliensysteme besitzt, waren FKT und KUZ in Werkzeugentwicklung und –bau, bei der Zuschnittoptimierung der Foliensysteme sowie bei der Realisierung der Spritzgießprozesse inklusive Handling der Folienzuschnitte involviert. Im Projektverlauf werden drei Herstellkonzepte, basierend auf Monostrukturen, und zwei Herstellkonzepte, basierend auf Hybridstrukturen, untersucht und bezüglich der Praxistauglichkeit bewertet. Während bei den Monostrukturen entweder Foliensysteme oder leitfähige Partikel zur Abschirmung eingesetzt werden, wird bei den Hybridstrukturen auf eine Kombination von Foliensystemen mit leitfähigen Partikeln zur Abschirmung gesetzt. Eine systematisch erprobte und optimierte Zuschnittgestaltung mittels Laser schafft Freiräume in der Gehäuseauslegung ohne das die EMV-Schirmung beeinträchtigt wird. Die werkzeugtechnischen Herausforderungen bestehen in der Positionierung und der Fixierung der flächigen, flexiblen Zuschnitte, die in Anlehnung an Sondertechniken wie IMD bzw. IML zu lösen sind.

An Hand eines Prototypengehäuses aus PP und PA6 wird nachgewiesen, dass eine topologie- und anforderungsgerechte Abschirmung im Herstellprozess des Gehäuses implementiert werden kann, die sowohl für den 1K- als auch den 2K-Prozess geeignet und wirtschaftlich sehr attraktiv sind.

EMV-Funktionalität mit Pluspunkten

Für die Hersteller elektrotechnischer Geräte werden mit den entwickelten Lösungen Alternativen gegenüber gegenwärtigen Verfahren bei exzellenter Abschirmwirkung mit einer durchschnittlichen Schirmdämpfung von größer 40 dB im Frequenzbereich von 30 MHz bis 6 GHz angeboten. Dabei ist ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit (3D) beim Formteildesign mit Leichtbaupotential gegeben. Mit der Substitution von Metallgehäusen durch Kunststoff ergibt sich ein Gewichtsvorteil von mindestens 50 % und zusätzlich durch das chemische Schäumen weitere 10 bis 15 %.

Die EMV-Funktionalität wird unmittelbar im Spritzgießprozess mit preislich attraktiven Multi-Layer-Foliensystemen ohne Nachbearbeitung und damit unabhängig von Drittleistern erreicht. Zeitaufwendige Mehrfachtransporte und Zwischenlagerungen entfallen. Die Serienproduktion vorausgesetzt, stellt in den betrachteten Fällen die Abschirmung mit Hilfe der Multi-Layer-Foliensysteme unmittelbar im Spritzgießprozess die weitaus kostengünstigste Variante im Vergleich zu anderen Lösungsansätzen dar.