Prozessüberwachte Konfektionierung folienisolierter Flachleiter
Neben der Karosserie und dem Motor gehört der Leitungssatz zu den teuersten Bauteilen eines Kraftfahrzeugs. Folienisolierte Flachleiter sind hier auf dem besten Wege, die konventionellen Kupferkabel in vielen Bereichen zu verdrängen. Ein Verfahren, das während des Montageprozesses die Kontaktqualität von Flachleitern und Steckverbindern überprüft, hat Jochen Krieger entwickelt. Er wurde dafür mit dem Fraunhofer IPA Innovationspreis 2001 ausgezeichnet.
Jochen Kriegers Verfahren garantiert den sicheren Kontakt von Flachleitern (FFC) - ©Fraunhofer IPA/Anne Mildner
FCC mit schadhaftem Kontakt (Originalaufnahme der Thermokamera in 72 dpi) - © Thermosensorik GmbH, Erlangen
Folienisolierte Flachleiter sind leichter als Kupferrundverdrahtungen, benötigen weniger Platz und verringern durch die vorgegebene Geometrie auch die Gefahr von Montagefehlern. In Kraftfahrzeugen und Elektrogeräten sind sie deshalb auf dem besten Wege die konventionelle Kupferverdrahtung bei der Leistungsübertragung in vielen Bereichen abzulösen, beisipielsweise bei der Dach-, Tür- und Cockpitverdrahtung. Für eine prozessüberwachte Konfektionierung dieser Flex-Wiring-Konzepte mit Durchdringungssteckverbindern fehlten bisher noch die wissenschaftlichen Grundlagen und Lösungsansätze. Eine Studie der Arbeitsgruppe Verdrahtungstechnik am Fraunhofer IPA von 1998 ergab vor allem bei der Handhabung, der Kontaktierung und der zugehörigen Prozessüberwachung Defizite. Entsprechend konzentrierte sich die Gruppe unter Leitung von Jochen Krieger auf Methoden zur Überwachung des Kontaktierprozesses und zur Bewertung der Kontaktqualität.
"Wir haben uns für einen physikalischen Ansatz entschieden, der sich die thermodynamischen Vorgänge während des Umformprozesses zu Nutze macht", sagt Gruppenleiter Krieger. Die Praxistauglichkeit dieses Ansatzes testeten er und sein Team beim Kontaktieren von FFC-Leitungen mit Durchdringungssteckverbindern. Ihr elektrisches Kontaktierungsprinzip beruht auf der Durchdringung der metallischen Leiterbahnen mit einem metallischen Kontaktkörper. Zu Anfang ihrer Forschungsarbeiten haben die IPA-Ingenieure ein Phasenmodell definiert, das den Durchdringungsprozess durch den FFC und den Crimpverformungsvorgang beschreibt. Auf dieser Grundlage untersuchten sie die dabei stattfindenden thermodynamischen Prozesse mit einer Infrarotkamera.
Kriegers Methode fußt auf der Tatsache, dass beim Umformen und Pressen von Metallen der überwiegende Anteil der aufgewendeten Umformarbeit in Wärme umgewandelt wird, während die restliche Energie in Verspannungen des Gitters gebunden wird. Mit Hilfe thermodynamischer Betrachtungen lässt sich sowohl der Verformungs- und Durchdringungsvorgang der Kontaktierungsphase als auch der Crimpverformungsvorgang beschreiben. Da für den zu betrachtenden Prozess keine Untersuchungen und Berechnungsverfahren bekannt waren, haben Krieger und sein Team die notwendigen theoretischen Modelle und Ansätze zur Berechnung des Temperaturverlaufs des folienisolierten Flachleiters selbst entwickelt.
Die Wärmeleitung in Metallen wird hauptsächlich durch die Bewegung der Leitungselektronen bewirkt. Deshalb lässt sich aus der Wärmeleitfähigkeit der Kontaktstelle auf die metallische und von ihr auf die elektrische Leitfähigkeit schließen. Insbesondere während der Temperaturabklingphase nach dem Kontaktieren hängt der Temperaturabfall im folienisolierten Flachleiter von der thermischen und damit auch von der elektrischen Kontaktqualität zwischen Durchdringungskörper und Leiterbahn ab. "Grundsätzlich gilt, dass eine schnelle Abkühlung einen guten thermischen und damit elektrischen Kontakt indiziert", sagt Jochen Krieger. Im Bild der Kamera stellt sich ein schadhafter Kontakt durch eine verzögerte oder geringere Wärmeentwicklung dar.
Krieger setzte für diese Versuche eine Infrarotkamera ein, um genaue Informationen über das thermische Verhalten einer größeren Fläche zu gewinnen und die kritischen Punkte zu ermitteln. Für den industriellen Einsatz wäre eine Infrarotkamera zu teuer. "Eine Prozessüberwachung mit günstigeren, berührungslosen Temperaturmessverfahren, die lediglich einen Punkt überwachen, ist möglich", erklärt der Ingenieur. Entsprechende Alternativen müssen allerdings noch untersucht werden. Der Nachweis der technischen Machbarkeit sowie die Verifizierung der theoretischen Grundlagen und Einflussparameter erfolgte anhand einer Pilotanlage. Diese umfasste von der Bereitstellung und Handhabung der FFC und Steckverbinder über eine Kontaktierungszelle und die Prozessüberwachung alle für die automatisierte Verarbeitung notwendigen Teilsysteme.
Ihr Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Jochen Krieger
Telefon: 0711/970-1294, Telefax: 0711/970-1006, E-Mail: jnk@ipa.fhg.de
