Kunststoff-Metall-Verbundteile

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Kunststoffumspritze Baugruppen nehmen immer mehr an Bedeutung zu, da sie die Forderung nach kleiner, leichter und kompakter Bauweise und günstiger Preisgestaltung am besten erfüllen. Wo immer Mechanik und Elektronik aufeinander treffen, kommen elektromechanische Baugruppen in vielfältigen Anwendungen z.B. in der Automobil-, Kommunikations-, Hausgeräte- und Konsumertechnik zum Einsatz. Besonders häufig werden elektromechanische Baugruppen im Automobil verwendet. So werden in Hybridrahmen u.a. elektronische Bauelemente integriert, die im Motormanagement zum Einsatz kommen. Bandumspritzte Kontaktteile finden sich z.B. in Sitzverstellungen und Airbagsensoren; montierte Kontaktteile sind wichtige Funktionselemente u.a. für die Spiegelverstelleinheit.

Elektromechanische Baugruppen bestehen z.B. aus gestanzten Leiterbahnen (Leadframes), die an den Kontaktstellen mit funktionsgerechten Oberflächenschichten versehen sind. Sie bilden die elektrischen Verbindungen der elektronischen Baugruppe nach außen. Die Leadframes werden mit Kunststoff umspritzt oder in Kunststoffteile montiert. Zusätzlich können elektronische Komponenten eingebaut werden, die ein höheres Niveau der Produktintegration ermöglichen. Durch den Metall-Kunststoffverbund wird die mechanische Stabilität der Kunststoffgehäuse mit der Übertragung von elektrischer Energie und Signalen über das metallische Stanzgitter kombiniert. Auf diese Weise entstehen Gehäuse zum Schutz elektronischer Steuerungen für Maschinen und Anlagen, die gleichzeitig die Verbindung nach außen darstellen. Dies kann in Form von Hybridrahmen und -gehäusen erfolgen. Auch durch Bandumspritzen von Kontaktteilen oder durch Montage verschiedener Einzelteile können elektromechanische Baugruppen realisiert werden.

Um die geforderte hohe Funktionalität des Endproduktes zu erreichen, ist bereits in den Phasen der Planung und Entwicklung neuer „maßgeschneiderter“ elektromechanischer Baugruppen eine enge Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwender zu empfehlen. So führen einerseits das Knowhow des Herstellers in verschiedenen Bereichen z.B. in der Kontakt-, Beschichtungs-, Stanz- , Kunststoff- und Montagetechnik, andererseits das vom Anwender vorgegebene, teilweise sehr umfangreiche Anforderungsprofil für das Endprodukt häufig zu neuen innovativen Lösungen.

Neben den Kontaktteilen sind die Kunststoffe wesentliche Bausteine für elektromechanische Baugruppen. Als Kunststoffe kommen vor allem technische Thermoplaste und Hochleistungskunststoffe zum Einsatz, die den hohen Anforderungen u.a. hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Temperaturstabilität und -wechselfestigkeit genügen Table 1. Welcher Kunststoff letztlich Anwendung findet, hängt von technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ab, wobei die Umweltverträglichkeit durch Vermeidung schädlicher Inhaltsstoffe, wie Flammschutzmittel gewährleistet sein muss. Über die entsprechend der Anwendung optimale Kontaktbeschichtung und Wahl des Trägerwerkstoffes sei auf die Kap. Trägerwerkstoffe, Beschichtungsverfahren u. Anwendungen in der Aufbau und Verbindungstechnik verwiesen.

Table 1: Häufig verwendete Kunststoffe und ihre Eigenschaften
Type of Plastics:
Poly-condensate
Sub-Type: Thermo-
plastics Abbrev.
Properties
Density
[g/cm3]
Reinforcement
Materials
mechanical electrical thermal resistant against
PPS 1.34 - 1.64 glass fibers,
graphite fibers
very high mechanical strength and
stiffness even at high temperatures,
low toughness, very low creep,
better properties with addition of
40% glass fibers
excellent isolation
properties, very low
dielectric losses
usable up to 240°C, short term
up to 270°C, low combustibility,
self-extinguishing, non-dripping
up to 220°C no known solvents,
conc. sodium hydroxide,
conc. hydrochloric and sulfuric
acid, good hydrolysis resistance
PA6
PA66
PA610
PA11
PA12
A amorph
1.12 - 1.14
1.13 - 1.14
1.06 - 1.08
1.04
1.01 - 1.02
1.06 - 1.12
glass fibers,
graphite fibers,
mineral powders,
glass beads, chalk,
lubricants such as
graphite, MoS2
depending on the PA type, crystalline
structure and water content; high
mechanical strength, stiffness, and
toughness; higher mech. strength
through stretching; very tough after
water absorption; high fatigue strength,
good impact toughness, abrasion
resistant, good sliding properties
through addition of graphite and MoS2;
increased mechanical strength with
glass and graphite fiber addition
depending on water
content, good surface
resistance reduces static
surface charge, high
dielectric losses, good
resistance against creep
currents
upper use temperature 80 – 120°C
depending on type, short term
up to 140 – 200°C, mostly
boil resistant, can be sterilized,
narrow softening range
aliphatic and aromatic
hydrocarbons, gasoline, oils,
greases, some alcohols, esters,
ketenes, ether,
many chlorinated hydrocarbons,
weak alkaline solutions
PBT 1.29 glass fibers,
glass beads, minerals,
talcum
very high toughness at low
temperatures, good stiffness and
mechanical strength, good long term
stability, low abrasion at good sliding
properties
good isolation properties,
good dielectric strength,
little effect of humidity
good thermal stability, use
temperature 60 – 110°C, short
term higher, with glass
reinforcement up to 200°C, low

tendency to turn yellow, very low
thermal expansion, burns with
sooty flame and drips

aliphatic and aromatic
hydrocarbons, fuels, oils, greases
LCP 1.40 - 1.92 glass fibers,
minerals
very high precision and dimensional
stability, high stiffness at low wall
thickness, low thermal expansion
coefficient; reinforced, better sliding
ability, electrically conductive and
suitable for electroplating types
dielectric losses depend
on surface coating, good
electrical conductivity;
depending on type
suitable for anti-static

applications

use temperature 200 – 250°C,
good high temperature stability,
very low thermal expansion,
resistant to soldering
temperatures < 250°C, difficult to
combust and self-extinguishing
good resistance against widely
used organic solvents, i.e.
acetone, methanol, chlorine gas,
acetic acid
PPA 1.26 - 1.85 glass fibers,
minerals
high impact strength with good
mechanical strength and stiffness, very
high dimensional stability at high
temperatures, very low humidity
absorption
very low electrical losses use temperature up to 185°C,
standard types with UL94-HB
classification, special flame
protective types
very good resistance against
typically used organic solvents, i.e.
acetone, methanol, etc., water
based solutions (DI water, 10%
ammonium hydride, typical liquids
used in the automobile such as
brake fluid, motor oil, etc

Hybrid Frames and Housings

Hybrid frames and housings serve as the connecting points between mechanics and electronics Figure 1. They allow the transmission of signals or electrical energy. The connection to the current paths inside the housing is mostly done by bonding with aluminum wires. The over-molded lead frames are typically manufactured from aluminum clad strip materials which are well suited for bonding. The connectors integrated into the housing for transferring the current paths to the outside are coated with tin, silver, or gold, depending on specific requirements.

Component with hybrid housing for use in automobiles

Continuous Strip Over-Molding

In strip form over-molded contact parts reduce the complexity of assembly of the finished product. This complexity constantly increases with adding additional subcomponents Figure 2.

The strip over-molded contact parts can be tested for various quality parameters during manufacturing to continuously ensure the ever increasing reliability requirements of the end components.

Combining stamping and molding techniques in an automated production line allows the stamped contact parts to be molded into plastics as a complete functional unit. This also allows to reduce manufacturing tolerances to levels below those achievable with conventional assembly methods.

Examples of strip over molded contact components
Examples of assembled contact components

Assembled Contact Components

For applications and materials which do not allow strip over-molding, semi or fully automated assembly processes can be utilized. Different single parts like printed circuit boards, stamped parts, or contact components are assembled together with plastic molded parts on specialized equipment to complete functional components with low tolerances and high levels of functionality Figure 3. This also allows to integrate components which otherwise are difficult to mount onto circuit boards or carriers, such as capacitors, coils, or sensor elements into the functional component assembly. Contact parts used in these components are already tested on the assembly machine for quality parameters and functionality.