Fachartikel vom 09/18/2012

3D-Mechatronik

Robuste und zuverlässige Motorrad-Kombischalter

3D-Kunststoffleiterplatten gewährleisten Sicherheit am Motorrad. Eine mutige Entscheidung bescherte einem Automobilzulieferer eine komplette 3D-MID-Prozesskette (Moulded Interconnect Devise). Für die Vereinigung von Mechanik und Elektronik in einer Baugruppe unterziehen sich spritzgegossene dreidimensionale Bauteile speziellen Verfahren zur Strukturierung, Metallisierung und Bestückung mit geeigneten Teilen.

Der Kombischalter wird komplett mit der 3D-Leiterplatte geliefert (Bild: Kromberg & Schubert)

Der Entschluss für den Aufbau einer eigenen Mechatronik-Prozesskette bei der Firma Kromberg & Schubert, resultierte aus Erfahrungen mit Versuchsprojekten und der Betrachtung von Projekten von Konsortien. Und auch weil große Probleme stets dann in den produktstrukturierten Kooperationen regelmäßig auftreten, wenn es um die Ursachenforschung für Produktbeanstandungen ging. Außer einer leeren Halle gab es am Anfang nichts. Joachim Czabanski, Leitung des Bereichs Mechatronik sowie Erik Rega, Entwicklungsleiter im gleichen Bereich, konnten damit nahezu aus dem Vollen schöpfen. Der initiierte Masterplan, bei dem es nicht darum ging zukünftiges vorherzusagen, als vielmehr die Zukunft nach Kräften herbeizuführen, sah darum von Beginn an die komplette Prozesskette im eigenen Haus vor. „Wenn etwas schief ging, dann wussten wir auch wo wir zu suchen hatten“, weiß Czabanski aus den Erfahrungen der ersten Stunden.

Der Weg bis zum ersten Probelauf war mit erheblichen Hindernissen gespickt. Zum einen gab es den Laser für die dreidimensionale Direktstrukturierung nicht wie gewünscht. Er musste in vielerlei Hinsicht modifiziert und erst richtig 3D fähig werden. Schwierig gestaltete sich auch die Suche nach geeigneten Bestückungsautomaten und Handlingsystemen. Im Zuge intensiver Recherchen wurden die geeigneten Hersteller abseits bekannter Großlieferanten gefunden. Parallel versammelten sich in Renningen qualifizierte Fachleute jedweder Fachrichtung. Spezialisten für Metallurgie, Kunststofftechnik, Galvanisierung, Bestückung, Automation, Maschinenbau, Werkzeugmacher und viele mehr - das gesamte Spektrum der interdisziplinären Techniken, die für diese Aufgabe notwendig sind. Dazu verhalf die langjährige erfolgreiche Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie zu ersten Früchten. BMW orderte für seine Motorräder der R- und K-Baureihe, der F800-Modelle sowie der S1000RR kompakte und mehrfunktionale Schalter am Lenkrad. Erster Auftrag, erste Bewährungsprobe zugleich.

Material für extreme Belastungen

Motorräder sind durchweg extremen Belastungen ausgesetzt: Erschütterungen, Stößen, Feuchtigkeit, Nässe, wechselnden Temperaturen, Schlamm, Staub. Voraussetzungen die der Suche nach dem geeignete Material nicht gerade sehr zuträglich waren. Nach ersten Tests mit Polyamid (PA) wurde eine erhebliche Durchdringung des Werkstoffs mit Wasser festgestellt. In dieser Form war es für den Verwendungszweck ungeeignet. Intensive Gespräche und Versuche mit dem Hersteller halfen dem Material auf die Sprünge. Das Ergebnis ist ein laserstrukturierbares Polyamid mit einem Schmelzpunkt von 295°C und reduzierter Wasseraufnahme. Dieses Polyamid zeichnet sich zudem durch hervorragende mechanische und elektrische Werte ebenso aus wie durch optimale chemische Beständigkeit und hohen Widerstand gegenüber Verschleiß. Auch die Verarbeitung im Spritzgießverfahren bereitet keine Probleme. Beste Voraussetzungen also für den geplanten Einsatz.

Parallel wurde auch PBT Polybutylenterephthalat unter die Lupe genommen. Das wiederum hat dem PA einiges voraus. Für den Spritzguss ist PBT aufgrund des günstigeren Abkühl- und Prozessverhaltens besser geeignet und wird wegen seiner Festigkeit und Steifigkeit einschließlich hoher Maßbeständigkeit geschätzt. Der Einsatz von bleifreiem Lot ist dagegen diffizil, da der Schmelzpunkt deutlich unter dem des eingesetzten Polyamids liegt. Und was speziell für Motorradeinsätze auch wichtig ist: Gerade bei Stürzen kommen weitere Eigenschaftsprofile wie Reibungs- und Verschleißfestigkeit zum Tragen. Zwar ist das Material wie PBT empfindlich gegen Molekulargewichtsabbau durch Hydrolyse, kann jedoch für kurze Zeit mit heißem Wasser in Kontakt gebracht werden. Aus diesem Grund wird PBT auch in Kaffeemaschinen oder Dampfbügeleisen verwendet. Zur 3D-MID-Fähigkeit gesellt sich dann noch die zusätzliche Anreicherung des Polymers mit Metallanteilen. Das kann Kupfer oder auch ein anderes Material sein. Doch als größtes Problem der Beschaffung des geeigneten Materials wurde die für die Aufgabe gewünschte Menge deutlich. Für Neulinge auf diesem Gebiet kann das, neben anderen Unwägbarkeiten, fast das Ende aller 3D-MID-Träume bedeuten. Denn wegen fünfzehn oder etwas mehr Kilogramm Abnahmemenge rührt ein Lieferant kaum eine Hand.

Das Renninger Unternehmen verfügt über einen eigenen Werkzeugbau sowie eine leistungsfähige Spritzerei. Bei Auftragsspitzen kommen zusätzlich benachbarte qualifizierte Wertschöpfungspartner zum Zuge. Aktuell stehen mit Ultramid T4381 LDS PA6/6T der BASF und Pocan DP T 7140 LDS von Lanxess, zwei Materialien zur Wahl, deren Eigenschaftsprofile je nach Anforderung genutzt werden. Beide Materialien sind LDS ausgerüstet, also laserfähig. Hierzu werden Additive mit eingebracht, die durch Laserbeschuss aktiviert werden.

Individuelle Anlagen garantieren Flexibilität

BMW K1600 GT (Bild: BMW)

Im nächsten Schritt kommen die gespritzten Bauteile unter den Laser, um das Material in Form der gewünschten Leiterbahnen zu öffnen und zu strukturieren. Beim dreidimensionalen Lasern wird die Basis für die Codierung der Datenmatrix gelegt, um die vielfältigen Variationen an Kombischaltern verlässlich unterscheiden zu können. Zwar erscheinen die Unterschiede zwischen einzelnen Typen scheinbar unwesentlich. Sie sind aber für die weitere Verarbeitung von großer Bedeutung. Der Nd:YAG-Laser hatte nach einigen entscheidenden Umbauten in Eigenregie die gewünschte 3D-Fähigkeit erreicht. Strukturen um 100 µm bis 150 µm sind in der Regel die gebräuchlichsten Bahnbreiten und Bahnabstände. Doch nach Joachim Czabanski und Erik Rega stehen nächste, noch feinere Schritte bevor. Jetzt wird die CoB-Technik (Chip on Board) anvisiert, Mit dieser Technik sind zum einen hohe Chip-Packungsdichten möglich. Zum anderen lassen sich die dafür vorgesehenen Anwendungen äußerst raumsparend herstellen, was eine Erweiterung zusätzlicher Funktionen ermöglicht. Dazu kann zum Beispiel der Chip auch gehäuselos aufgebracht und mit feinen Drähten mit den Leiterbahnen der Baugruppe per Bonding verbunden werden. Aber auch eine direkte Anbindung von Pads ist möglich.

Mit der Entscheidung für die flexibelste und neueste Herstellungstechnologie zur Produktion von dreidimensionalen Mechatronik-Baugruppen wurde zugleich die Suche nach den am besten geeigneten Maschinen und Geräten eingeläutet. Dazu zählt, neben dem Lasern, das Dispensen, also das Auftragen der Lotpaste, das Bestücken mit SMD-Bauteilen, das Löten und das Lackieren der Baugruppen zur Absicherung der Leiterbahnen gegen Umwelteinflüsse, Feuchtigkeit und Schmutz. Was zu Beginn einfach anmutete, brachte enorme Anstrengungen mit sich. Als Lösung kamen nur individuelle Anbieter mit hohem technischen Know-how in Frage. Das galt sowohl für das Bestücken als auch das vorgelagerte Dispensen mit Lotpaste. Die Lotpaste musste in der Lage sein, sich in allen Dimensionen zu behaupten. Und das setzte die zuverlässige Haftung an allen Seiten voraus.

Zu keinem Zeitpunkt durfte die Lotpaste ins Laufen kommen. Da nur SMD-Bauteile, wie Widerstände, Dioden, LEDs und so weiter bestückt wurden, kam der Qualifikation der Lotpaste sowie deren automatischer Auftrag auf die Schaltungen eine enorme Bedeutung zu. Auch die anschließende automatische Bestückungsanlage musste erst konzipiert und gebaut werden. Als Vorgabe dienten die dreidimensionalen Schaltungsträger für die Kombischalter. Heute werden 50 Varianten produziert, Tendenz steigend. Zudem musste die Anlage in der Lage sein, Werkstücke mit unterschiedlichen Kantenlängen aufzunehmen. Wobei das Umrüsten nur einen geringen Zeitfaktor in Anspruch nehmen durfte. In Kooperation mit dem Sondermaschinenbauer Xenon aus Dresden wurden die Forderungen erfüllt. Gleichzeitig führt die Anlage die Wareneingangskontrolle, das Bestücken mit Kontaktpins und fachfolgender elektrischer Prüfung, das Dispensen mit optischer Prozesskontrolle, die Bestückung mit SMD-Bauteilen und Schaltelementen und nach dem Lötprozess die finale Inspektion durch.

Löten per Dampfphase, Lackierung und Funktionscheck

Reflowlöten oder andere Verfahren schieden wegen zu hoher Temperaturen und der damit einhergehenden Unverträglichkeit der Bauteile und des Materials von Anfang an aus. Übrig blieb die Dampfphase. Ihr Vorteil besteht im Vorhalten einer stets gleichen Löttemperatur. Alle Bauteile werden ausschließlich mit bleifreiem Lot verbunden. Eine chemisch inerte und nicht leitende Flüssigkeit im Lötsystem hält die Temperatur stets auf gleichem Niveau. Den Schutz der Kombischalter vor Feuchtigkeit und Umweltschmutz für den Einsatz in harschen Bedingungen sichert eine weitere individuelle Anlage der Prozesskette, die vollautomatische Lackierung. Auf Grund der Form der Schalter muss der geeignete Lack rundum sicher haften und in keiner Phase weglaufen oder abtropfen. Ansonsten ließ sich die Forderung nach einem gleichmäßigen dicken Schutzauftrag nicht erfüllen.

Kombischalter ohne Gehäuse (Bild: Kromberg & Schubert)

Gemeinsam mit Xenon entstand die erste vollautomatische Lackierstation für dreidimensionale Bauteile. An nachgelagerten manuellen Arbeitsplätzen erhalten die Schalter ihre endgültige Form. Beim abschließenden Funktionscheck in der individuellen Teststation werden alle Funktionen der Schalter geprüft. In Renningen hat das Unternehmen im Geschäftsbereich Mechatronik alle damit verbundenen Aktivitäten gebündelt. Zahlreiche Unternehmen aus den Bereichen Automotive, Medizin- und Verteidigungstechnik nutzen mittlerweile dieses Know-how. Von der ersten Idee über CAD-Zeichnungen und Prototypen bis hin zu Musterserien und Vorserien wird hier alles koordiniert. Zwar sitzen die Spezialisten nicht alle unter einem Dach, doch moderne Medien halten die Kommunikation in alle Ecken der Welt auf dem Laufenden.

Autor:

Manfred Frank ist freier Autor in Mühlheim