Präzisionsspritzguss für Steckverbindergehäuse in der Automobilindustrie

Ein elektrischer Kfz-Steckverbinder (manchmal auch als Kfz-Kabelbaumsteckverbinder bezeichnet) ist ein präzisionsgeformtes Kunststoffteil, das Stromkreise in Kraftfahrzeugen miteinander verbindet. Sie erleichtern die Montage, Diagnose und Wartung der elektrischen Verkabelung. Es gibt sie in zahlreichen Ausführungen, darunter Leiterplatte-zu-Leiterplatte-, Flachstecker- und Anschlussstecker-Varianten. Der Verwendungszweck – sei es die Übertragung empfindlicher Daten, Batterieanschlüsse oder hohe Stromstärken – bestimmt, welcher Typ zum Einsatz kommt.

Ein Steckverbindergehäuse für die Automobilindustrie hingegen ist eine speziell angefertigte, im Spritzgussverfahren hergestellte Kunststoffhülle oder -ummantelung, die die elektrischen Anschlüsse in Kraftfahrzeugen schützt. Ohne dieses Gehäuse würde sich der Kabelbaum des Fahrzeugs zu einem “wirren Knäuel” verheddern, und es wäre nahezu unmöglich, die elektrischen Komponenten ordentlich miteinander zu verbinden.

Das Gehäuse dient zudem als isolierte Einhausung, die sicherstellt, dass die Daten- und Stromübertragung auch unter rauen Umgebungsbedingungen unterbrechungsfrei erfolgt. Zu den weiteren Funktionen des Gehäuses gehören:

• Stellt sicher, dass die Steckverbinder fest miteinander verriegelt sind
• Dient als mechanische Stütze, die die Verbindung bei Vibrationen sicher hält
• Hersteller von Steckverbindergehäusen für die Automobilindustrie konstruieren diese so, dass Kurzschlüsse verhindert werden, indem die elektrischen Kontakte voneinander getrennt bleiben.

Differenzierung von Steckergehäusen für Kabelbäume in der Automobilindustrie

Da unter dem Fahrgestell eines Fahrzeugs Hunderte von Kabeln verlaufen, sind Fehlanschlüsse ohne entsprechende Hilfestellung unvermeidlich. Ein Kabelbaum oder Steckverbinder für Kraftfahrzeuge stellt sicher, dass jedes Kabel an den richtigen Stromkreis oder die richtige Komponente angeschlossen wird. Hersteller von Steckverbindern für Kraftfahrzeuge nutzen Formen, Farben und Gestaltungen, um Elektrikern eine visuelle Orientierungshilfe zu geben und so sicherzustellen, dass die Kabel korrekt verbunden werden.

Beispielsweise bestehen Steckverbinder in der Regel aus einem Stecker und einer Buchse. Nur die zueinander passenden Teile lassen sich miteinander verbinden. Dadurch wird es erschwert, eine falsche Verbindung zu erzwingen, ohne das Gerät zu beschädigen. Einige Steckverbinder sind mit unterschiedlicher Pin-Anzahl für verschiedene Anwendungsbereiche erhältlich, um das Risiko einer fehlerhaften Installation zu minimieren.

In der Regel sind in jedem Fahrzeug durchschnittlich 274 Kfz-Steckverbinder verbaut. Jeder Steckverbinder besteht aus vier Teilen: dem Gehäuse, den Stiften und Buchsen, der Halterung und der Dichtung. Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Arten von Steckverbindern, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden können.

Fertigung von Steckverbindergehäusen für die Automobilindustrie

Für die Herstellung von Steckverbindergehäusen für die Automobilindustrie gelten strenge Standards, angefangen bei der Materialauswahl. Von diesen Automobilkomponenten wird erwartet, dass sie unter rauen Umgebungsbedingungen verschiedene technische Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung erfüllen, darunter:

1. Flammwidrigkeit: Gemäß den Sicherheitsvorschriften müssen die in Fahrzeugen verwendeten Materialien selbstlöschend sein, um die Brandgefahr so gering wie möglich zu halten. Dies gilt umso mehr für Bauteile, die sich unter der Motorhaube befinden, wo in der Regel hohe Temperaturen herrschen.
2. Wärmewiderstand: Kabel können sich während des Betriebs erwärmen, insbesondere wenn dabei Wärme entsteht. So ist beispielsweise die Motorhaube von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor aufgrund der durch die Verbrennungsprozesse des Motors erzeugten Wärme in der Regel heiß. Daher muss das für die Gehäuse von Kfz-Steckverbindern verwendete Material eine ausgezeichnete thermische Stabilität aufweisen. Es muss gegen Zersetzung oder Verformung durch Hitze beständig sein.
3. Hervorragender Umweltschutz: Das Gehäuse von Steckverbindern für die Automobilindustrie muss die Verbindung vor Umwelteinflüssen wie Staub, Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen schützen, die zu einem Ausfall der Schaltung führen können.
4. Langlebigkeit von Plug-and-Play: Die männlichen und weiblichen Steckhälften sind so konzipiert, dass sie nach dem Plug-and-Play-Prinzip funktionieren. Die Steckverbinder müssen so ausgelegt sein, dass sie einer bestimmten Anzahl von Steckzyklen standhalten. In der Regel sollte die Plug-and-Play-Funktionalität während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs gewährleistet sein, ohne dass die Buchsen und Stifte den Kontakt verlieren oder verschleißen.

Gängige Werkstoffe für Steckergehäuse in der Automobilindustrie

Hochleistungs-Konstruktionskunststoffe wie Polycarbonat (PC), Nylon und Polybutylenterephthalat (PBT) werden in der Regel aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihrer Wärme- und Chemikalienbeständigkeit, ihrer Langlebigkeit sowie ihrer elektrischen Isolationseigenschaften ausgewählt. Zu den gängigen Werkstoffen für die Gehäuse von Steckverbindern in Kabelbäumen für die Automobilindustrie zählen:

• PBT: Zeigt eine hohe Festigkeit und chemische Beständigkeit. Wird vor allem in flammhemmenden Steckverbindern verwendet. Allerdings neigen sie zu Schrumpfproblemen.
• Nylon (PA6T, PA66): Es zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und Härte aus. Zudem weist es eine gute Verschleißfestigkeit auf und ist in flammhemmenden Ausführungen erhältlich.
• PC: Verfügt über eine hervorragende Schlagfestigkeit und UV-Beständigkeit.
• Flüssigkristallpolymer: Hält Temperaturen von bis zu 300 °C (527 °F) stand und eignet sich daher ideal für Verbindungen, bei denen hohe Hitze entsteht.

Anforderungen und Anliegen des Kunden

Der Kunde wandte sich mit zwei zentralen Anliegen an First Mold bezüglich der Fertigung von Steckverbindergehäusen für die Automobilindustrie. Das erste betraf die Maßhaltigkeit der Steckverbindergehäuse. First Mold musste die wichtigsten Maße und Toleranzen so aufeinander abstimmen, dass eine reibungslose Montage und ein störungsfreier Betrieb gewährleistet waren.

Der Kunde war zudem angesichts der großen Anzahl an Steckverbindern, die in jedem Fahrzeug verbaut werden, ernsthaft besorgt über die Produktionskosten. Mit anderen Worten: Der Kunde wollte mit einem Formenbauer zusammenarbeiten, der die niedrigsten Kosten pro Automobil-Steckverbinderteil für die Serienfertigung garantieren würde.

Herausforderungen

Die geringe Größe und die Leistungsanforderungen von Steckverbindern für Kabelbäume in der Automobilindustrie stellen eine besondere Herausforderung für die Präzisionsfertigung dar. So muss beispielsweise jeder Stecker ausschließlich mit der entsprechenden Buchse zusammenpassen, um ein versehentliches Zusammenstecken zu verhindern, das durch menschliches Versagen oder geringfügige Maßabweichungen verursacht werden kann.

Die Einhaltung der Maßkonsistenz und der Toleranz (die vom Hersteller auf 0,02 mm festgelegt wurde) war äußerst wichtig, um eine falsche Zusammenfügung zu verhindern und sicherzustellen, dass die Teile fest miteinander verbunden sind. Daher war es notwendig, ein fehlersicheres Design zu implementieren. So wurde beispielsweise jede der beiden zusammenpassenden Hälften so konstruiert, dass sie bestimmte Verriegelungsrichtungen aufweist, die beim Zusammenfügen perfekt ineinanderrasten.

Allerdings mussten alle Änderungen am Gehäuse des Kfz-Steckverbinders im Einklang mit etablierten Leistungsstandards für die Automobilindustrie, wie beispielsweise USCAR-20, vorgenommen werden. Mit anderen Worten: Die Konstruktion musste die branchenweiten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Konsistenz erfüllen.

Da der Kunde die Serienfertigung des Bauteils anstrebte, war eine Form erforderlich, mit der sich Hunderttausende von Bauteilen herstellen ließen. Die Experten von First Mold arbeiteten eng mit der Konstruktionszeichnung des Kunden zusammen, um maßgeschneiderte Lösungen für die besonderen Herausforderungen des Projekts zu liefern.

Lösung

Um die vom Kunden für seinen Steckverbinder für Automobil-Kabelbäume geforderte Maßkonsistenz und die engen Toleranzen zu gewährleisten, musste First Mold mehrere Anpassungen im Spritzgussverfahren vornehmen, darunter die Optimierung der Bauteilkonstruktion, die Entwicklung präziser Formen sowie die Einführung strenger Prozesskontrollen.

Optimierung des Designs von Steckverbindern für die Automobilindustrie

First Mold ist sich bewusst, dass der erste Schritt zur Gewährleistung der Maßhaltigkeit bereits in der Konstruktionsphase erfolgt. Daher war es wichtig, die Grundsätze des „Design for Manufacturability“ (Konstruktion im Hinblick auf die Fertigungsfähigkeit) zu beachten, darunter:

• Die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Wandstärke gewährleistet eine gleichmäßige Abkühlung, wodurch das Risiko einer ungleichmäßigen Schrumpfung minimiert wird.
• Verwendung von Radien, die mindestens das 0,5-Fache der Wandstärke betragen, um den Materialfluss zu erleichtern und den Auswurf zu vereinfachen. Diese Strategie verhindert zudem Spannungskonzentrationen.
• First Mold setzte Simulationssoftware ein, um potenzielle Probleme wie Schweißnähte und Verformungen vorherzusagen und zu beheben.

Materialauswahl für den Automobilsteckverbinder des Kunden

Die Wahl des richtigen Werkstoffs war entscheidend, um die Maßhaltigkeit zu gewährleisten und sicherzustellen, dass das Produkt den gesetzlichen Vorschriften entspricht. Aufgrund der spezifischen Anforderungen des Kunden an das Gehäuse für Automobilsteckverbinder fiel die Entscheidung auf mit 30%-Glasfasern verstärktes Polyamid (PA).

Polyamid ist an sich zäh und verschleißfest. Es weist zudem eine gute chemische Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen und Ölen auf. Durch die Verstärkung mit 30%-Glasfasern werden seine Festigkeit und Steifigkeit, Maßhaltigkeit, Hitzebeständigkeit (im Bereich von 120 °C bis 180 °C) sowie Kriechfestigkeit erhöht.

Formenbau für die Fertigung von Steckverbindergehäusen in der Automobilindustrie

Die Herstellung präziser Steckverbinder mit maßlicher Konsistenz und Toleranz beginnt mit der Fertigung hochwertiger Formen. First Mold verwendete hochpräzise CNC-Bearbeitung eine Form zu erstellen, wobei besonders auf den Formhohlraum geachtet wird, um sicherzustellen, dass dieser genau den Vorgaben des Kunden entspricht.

Zudem wurden mehrere Angüsse strategisch platziert, um einen gleichmäßigen Materialfluss und eine gleichmäßige Druckverteilung zu gewährleisten. Dies war notwendig, um Einfallstellen und Verformungen zu minimieren.

Kosteneffizienz bei der Herstellung von Steckverbindergehäusen für die Automobilindustrie

Nach einer gründlichen Prüfung der Konstruktionsunterlagen des Kunden schlug First Mold verschiedene Änderungen an der Form vor, die kurz- und langfristig zu Kosteneinsparungen führen würden, und zwar wie folgt:

• Mehrfachformen: Durch den Einsatz hocheffizienter Mehrfachformwerkzeuge mit hoher Kapazität anstelle von Einfachformwerkzeugen konnte der Kunde in einem einzigen Formzyklus eine größere Anzahl von Steckverbindern herstellen. Dadurch konnte der Kunde seine Energie- und Arbeitskosten senken.
• Optimierte Kühlkanäle: First Mold hat zudem effiziente und gleichmäßige Kühlkanäle entwickelt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Formwerkzeug zu gewährleisten. Dies war entscheidend, um innere Spannungen und Schrumpfung zu vermeiden sowie die Formzyklen zu verkürzen.
• Produktionsplanung: First Mold unterstützte den Kunden bei einem straffen Produktionsmanagement, um die Produktivität in der Fertigung zu maximieren. Dazu gehörten die Festlegung der Start- und Endzeiten eines Formzyklus sowie die Ermittlung von Faktoren, die zu Ausfallzeiten führen könnten.

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