LKH arbeitet mit PA6.6-Compounds

Flammgeschützte Kunststoffbauteile für Schaltschränke

5.500 Ampere bei 1.000 Volt AC – unter diesen Bedingungen werden in der Elektrotechnik an die in Schaltschränken verbauten Kunststoffbauteile hohe Anforderungen gestellt. LKH Kunststofftechnik hat gemeinsam mit Partner Nilit Plastics Europe diese  Anforderungen für einen Systemanbieter für Schaltschranktechnik gelöst.

Der Rittal Ri4Power Systembaukasten für Niederspannungsschaltanlagen verfügt auch über Kunststoffbauteile, die extreme Anforderungen wie dynamische und statische Belastungen erfüllen müssen.

Neben extremen Durchschlagsfestigkeiten sind die Kunststoffbauteile für die Stromverteilung auch auf hohe statische und dynamische Belastungen sowie erhöhte Temperaturen ausgelegt.

Kunststofftechniker stehen vor schwierigen Aufgaben, wenn man Lösungen in der Elektrotechnik sucht, die einerseits hohen Sicherheitsansprüchen genügen, aber auch tragende Funktionen erfüllen müssen. Andererseits sind hohe Anwendungseffizienz für die Kunden, das Erfüllen mechanischer Anforderungen und nicht zuletzt – vom Zulieferer – günstige Kosten für die Komponenten gefordert, um weltweit wettbewerbsfähig anbieten zu können.

Stromverteilungsanlagen von Rittal mit armdicken Sammelschienensystemen aus Kupfer lassen erahnen, welche Stromstärken und Spannungen hier geschaltet werden und welche Belastungen wirken. Bis zu vier hintereinander liegende stromführende Flachschienen im System Flat-PLS beispielsweise mit 5.500 Ampere bei 1.000 V AC bringen pro laufenden Meter allein rund 40 Kilogramm statische Last in die Kunststoffhalter. Erschwerend kommen dynamische Belastungen beim Transport der Anlagen durch Vibrationen und Stoßbelastungen dazu. „Zudem verursachen elektrische Leiter unter Kurzschlussbedingungen Schwingungen und sehr hohe elektrodynamische Beanspruchungen der Kunststoffhalter. Dabei können im Kurzschlussfall starke Wärmeeinwirkungen auftreten, die auf die Kunststoffe übertragen werden“, nennt Jörg Kayma, Produktmanager beim Herborner Spezialisten, einige der außergewöhnlichen Anforderungen in diesem Umfeld. Daraus resultieren extreme Anforderungen an die Kunststoffhalter. Sie müssen nicht nur außergewöhnlich hohe Durchschlagsfestigkeiten bei kleinen Bauvolumina sicher erreichen, sondern auch bei hohen Temperaturen mechanisch hoch belastbar und formbeständig sein sowie mit geringen Toleranzen aufwarten.

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Neben Abwicklung der Zertifizierung der einzelnen Artikel aus den zertifizierten, halogenfreien Materialien ist die UL-konforme Produktion und Montagetechnik bei LKH maßgeblich für die Sicherheit, aber auch Effizienz seiner Projekte.

Hohe Anforderungen an den Flammschutz der eingesetzten Kunststoffbauteile verstehen sich bei deren Einsatz im Schaltschrankbau von selbst. „Unsere Anlagen müssen nicht nur hinsichtlich des Personenschutzes hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Die Betriebssicherheit ist für unsere Kunden entscheidend, erklärt Kayma. „Und die muss natürlich über die gesamte, mitunter jahrzehntelange Lebensdauer unserer Anlagen sichergestellt sein.“ Kunststoffspezialist LKH, der einen großen Teil der von den Herbornern verwendeten Bauteile im Spritzgießverfahren produziert, war gefordert, für bestehende und neue Komponenten Alternativen mit halogenfreien Materialien zu entwickeln, aufzuzeigen und umzusetzen. Kein einfaches Unterfangen hinsichtlich der extremen Anforderungen im Schaltschrankbau: Mechanische Kennwerte und Durchschlagsfestigkeit mussten mindestens die Werte der bis dato eingesetzten, mit den alten Brandschutzadditiven ausgerüsteten Hochtemperaturmaterialien erreichen. Andererseits ist die Verarbeitung auf einem wirtschaftlichen Niveau eine Bedingung.

Zudem benötigt der Elektronikspezialist von den einzelnen Materialien extrem unterschiedliche Mengen: In bestimmten Farben produzierte Kleinst-Bedienelemente verursachen monatliche Materialbedarfe lediglich im Kilobereich, während standardisierte, voluminöse Konstruktionselemente im Tonnenbereich angesiedelt sind. In allen Fällen muss die Versorgung sicher gewährleistet sein – und das angesichts der notwendigen Zertifizierungen über viele Jahre.

In umfassenden Versuchen testete der Kunststoffspezialist verschiedene Werkstoffgruppen mit neueren Flammschutzmitteln und Werkstofflieferanten, um eventuell erforderliche prozesstechnische oder konstruktive Änderungen an Werkzeugen und Artikeln zu eruieren. Vor allem Bauteile, deren Geometrie hohe Fließfähigkeit des Werkstoffs verlangen, sind kritisch zu bewerten. Neben diesen technologischen Anforderungen spielen Kostenargumente bei Neuentwicklungen eine Rolle: Die bis dato eingesetzten Hochtemperaturmaterialien sollten nicht nur mit halogenfreien, sondern gleichzeitig möglichst mit effizienteren und einfacher zu verarbeitenden Standardwerkstoffen abgelöst werden.

Unter anderem in Zusammenarbeit mit Werkstofflieferant Nilit Plastics entwickelte LKH für bereits vorhandene Teile und neue Artikel Lösungen auf Basis verschiedener Polyamid-Compounds. Umfangreiche Simulationen und Versuche sowie konstruktiven Anpassungen von Artikeln und Spritzgießformen sowie der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe sind die Stellschrauben der Techniker. Auf Basis eigener Erfahrungen aus einer Vielzahl von Projekten und dem Werkstoff-Know-how des Werkstofflieferanten hinsichtlich flammgeschützter Polyamide entstanden neue und verbesserte Lösungen, die jeweils nach den gängigen Sicherheitsstandards gemäß UL-Listungen, VDE sowie der Norm 61439 zertifiziert wurden. Während Bauteil- und Formenkonstruktion beim Kunststoffspezialisten häufig von den gemeinsam mit dem Werkstofflieferanten durchgeführten Moldflow-Analysen und – im Bedarfsfall – von angepassten Werkstoffrezepturen profitieren, sieht Kunde Rittal vor allem seine zwingend erforderlichen Zertifizierungen für alle Kunststoffbauteile und deren Liefersicherheit im Mittelpunkt.

Das Sammelschienensystem Rittal Maxi-PLS ist ein kompaktes und Montagezeit sparendes Sammelschienensystem von 1000 bis 4000 A.

Das Thema Sicherheit hat in diesem Fall verschiedene Aspekte: Nilit Plastics liefert an LKH halogen- und phosphorfreie PA6- und PA6.6-Compounds, für die immer – auch bei anwendungsspezifisch angepassten Rezepturen und/oder Farben – alle relevanten Zertifizierungen hinsichtlich Brandsicherheit vorliegen. Damit sind Zulassungen neu entwickelter oder auf kostengünstigere neue Werkstoffe umgestellte Bauteile samt Dokumentation schnell zu erzielen. Aufgrund ausführlicher Simulationen und angepasster Bauteilkonstruktionen und des stetigen Know-how-Transfers zwischen Werkstofflieferant, Verarbeiter und Kunde werden kurze Projektlaufzeiten erzielt. Die gefundenen Lösungen stellen sicher, dass die Anlagen langfristig zuverlässig und mit hohem Sicherheitsniveau laufen. „Nicht zuletzt ist die Versorgungssicherheit mit allen benötigten Werkstoffen ein wichtiger Aspekt“, betont Kayma. „Auch Kleinstmengen spezieller Materialvarianten müssen zuverlässig zum Termin bereitgestellt werden, um Sicherheit in die Lieferkette zu bringen.“

Projekte von der Anforderungsdefinition über Design, Konstruktion, Werkstoffwahl, Simulation, Prototypenbau und Formenbau sowie den erforderlichen Zertifizierungen der Elektrobranche schnell und mit wenig Aufwand für den Kunden abzuschließen, bedient die eine Seite der Wertschöpfungskette. Die effiziente und sichere Produktion und Montage von Bauteilen und Baugruppen die zweite. Beide Teile der Prozesskette in einer Hand zu haben, vermeidet Schnittstellen und beschleunigt Projekte von der Idee des Kunden bis in die Serienfertigung. Maßgeblich dazu trägt die Abwicklung der kompletten Bauteil- und Baugruppen-Zertifizierung durch den Kunststoffspezialisten. „LKH entlastet uns als Hersteller des Endprodukts hier durch einige Vorleistungen“, erklärt der Produktmanager Kayma. „Neben Abwicklung der Zertifizierung der einzelnen Artikel aus den zertifizierten, halogenfreien Materialien ist die UL-konforme Produktion und Montagetechnik maßgeblich für die Sicherheit, aber auch Effizienz unserer Projekte.“ Die UL-konforme Produktionsumgebung und Logistik liefert den Kunden der Elektrobranche Komponenten, die die spätere Zulassung der daraus montierten Gesamtanlagen drastisch vereinfacht und beschleunigt. Und Kayma weiter: „Damit stellt uns der Entwickler und Kunststoffverarbeiter einen weiteren Baustein in unserer Strategie bereit, nicht nur technologisch an der Spitze zu sein, sondern auch hinsichtlich Sicherheit und Projektlaufzeiten die Maßstäbe zu setzen.“ Bis heute hat LKH mehr als 100 flammgeschützte Artikel für Rittal auf Basis von PA6.6-Compounds neu entwickelt oder von typischen Hochtemperatur-Werkstoffen auf PA6.6-Compounds umgestellt. Darunter sind Bauteile im Zehntel-Gramm-Bereich ebenso wie Konstruktionselemente, Verkleidungen, und Gehäuse im Gewichtsbereich größer ein Kilogramm, die, je nach Stückzahlen in Anlagen mit unterschiedlichen Automatisierungsniveaus bis hin zu komplexen Produktionszellen gefertigt werden. jg

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