Kupfer oder Aluminium als Stromschiene, von der Maschinenseite aus

Wenn Sie hier sind, um zu entscheiden, ob Sie Stromschienen aus Kupfer oder aus Aluminium vorgeben, ist das der falsche Beitrag. Diese Entscheidung fällt über Leitfähigkeit, Gewicht, Kilopreis, Kurzschlussfestigkeit und Errichtungskosten, sie ist erschöpfend behandelt worden, und Sie finden dazu bessere Darstellungen, als wir hinzufügen könnten. Lesen Sie eine davon.

Hier geht es darum, was passiert, nachdem diese Entscheidung gefallen ist und eine Palette des jeweils anderen Metalls in Ihrer Fertigung steht. Die Stanzeinstellungen stimmen nicht, die Biegewinkel stimmen nicht, die Entgratlinie setzt sich zu, und die erste Verbindung, die Sie herstellen, stimmt ebenfalls nicht. Nichts davon steht im Einkaufsvergleich.

Beginnen Sie mit den mechanischen Kennwerten, nicht mit den elektrischen

Alles Weitere folgt daraus. Typische Werte für die beiden gebräuchlichen Werkstoffe der Sammelschiene, hochleitfähiges Kupfer und Aluminium der Sorte 1350:

Zwei Dinge sind festzuhalten. Aluminium hat bei gleichem Werkstoffzustand etwa ein Drittel der Festigkeit von Kupfer und etwa die Hälfte der Steifigkeit. Diese beiden Verhältnisse sind verschieden, und der Unterschied ist der Grund, warum sich die Rückfederung entgegen der Erwartung verhält.

Noch ein Hinweis, bevor es weitergeht. „Aluminiumschiene“ ist nicht ein Werkstoff. 1350 in der Tabelle oben ist die weiche, hochleitfähige Sorte. Viele europäische und asiatische Schienen bestehen aus EN AW-6101B im Zustand T6, mit einer 0,2-%-Dehngrenze von mindestens 160 N/mm² und einer Zugfestigkeit von mindestens 215 N/mm² bei einer Leitfähigkeit von ≥52 % IACS. Das ist nahezu das Dreifache der Dehngrenze von halbhartem 1350, und es ändert jede Prozesseinstellung in diesem Beitrag. Stellen Sie fest, welches der beiden Sie haben, bevor Sie eine Maschine anfassen.

Kraft, und die Maschine, die Sie bereits haben

Die Stanzkraft ist Umfang × Dicke × Scherfestigkeit. Die Scherfestigkeit ist die Stelle, an der sich die beiden Metalle trennen.

Veröffentlichte Stanzdaten für C11000 nennen für halbhartes Kupfer etwa 179 N/mm² Scherfestigkeit und für hartes 193. Weiches Aluminium der 1xxx-Reihe liegt weit darunter: 1100-O wird mit 62 N/mm² geführt. Nehmen Sie ein Loch von 13,5 mm in einer Schiene von 10 mm, also 42,4 mm Umfang: Halbhartes Kupfer verlangt etwa 76 kN, weiches Aluminium etwa 26 kN.

Achten Sie darauf, woher diese Kupferwerte stammen. Werte im Bereich von 200 bis 230 kursieren weithin, aber es sind Werte der Zugfestigkeit, die als Werte der Scherfestigkeit verwendet werden. Bei Kupfer liegt die gemessene Scherfestigkeit bei etwa 0,65 bis 0,70 der Zugfestigkeit und nicht bei der Faustregel von 0,8; wer den Wert der Zugfestigkeit übernimmt, überschätzt die Kraft daher um rund ein Drittel.

Rechnen Sie Ihre eigenen Lochgrößen durch den Rechner für die Stanzkraft, statt aus diesem Beispiel hochzurechnen, und wählen Sie die Sorte, die dem entspricht, was tatsächlich auf Ihrem Regal liegt. Ist Ihr Aluminium 6101B-T6 und nicht 1350, sind 62 N/mm² deutlich zu günstig gerechnet; als Ausgangsannahme für die Presskraft passt eher ein Wert um 150 N/mm². Deshalb führt der Rechner die Aluminiumsorten einzeln auf, statt eine einzige Auswahl „Aluminium“ anzubieten.

Die praktische Folge für einen Betrieb, der bereits für Kupfer eingerichtet ist: Bei Aluminium ist die Kraft nie die Beschränkung. Eine EMAC-BP-60 mit 600 kN ist für weiche Aluminiumschiene reichlich überdimensioniert, und das ist unproblematisch. Problematisch ist die Annahme, das Verfahren sei damit einfacher.

Weich heißt nicht einfach

Das ist der Punkt, an dem man hereinfällt. Kupfer ist härter, aber Kupfer verhält sich gutmütiger.

Kupfer ist im Sinne des Stanzens ein verhältnismäßig sprödbrechender Werkstoff. Der Stempel dringt ein, von der Stempelkante geht ein Riss aus und läuft dem Riss von der Matrizenkante entgegen, und der Butzen trennt sich ab. Der Übergang vom Glattschnittband zur Bruchzone ist sauber, und der Grat ist klein und gleichmäßig.

Weiches Aluminium will nicht brechen. Es will fließen. Es dehnt sich vor dem Stempel, wird in die Matrize hinuntergezogen und trennt sich spät und unsauber ab. Daraus folgen drei konkrete Probleme.

Das erste ist das Fressen mit Aufbauschneide. Aluminium überträgt sich auf das Werkzeug. Eine Untersuchung an 2 mm Blech AA5754-O, gestanzt mit Werkzeugstahl M2, hat das übertragene Volumen unmittelbar gemessen und festgestellt, dass das Fressen in den ersten Hüben eines trockenen Stanzvorgangs am schnellsten fortschreitet und sich zwischen dem 20. und dem 125. Hub auf eine Rate von etwa 7,5 × 10⁵ µm³ je Hub einpendelt. Das Schmieren des Blechs mit einem Schmierstoff auf Ölbasis hat die Übertragung deutlich verringert. Der übertragene Werkstoff ändert die wirksame Stempelgeometrie: Der Stempel wächst, der Schneidspalt schließt sich, die Lochgröße wandert, und schließlich frisst sich der Stempel im Butzen fest.

Das zweite ist das Kaltverschweißen, also dieselbe Adhäsion, die auf den Butzen wirkt. Ein Aluminiumbutzen, der sich an die Stempelstirn geschweißt hat, kommt mit dem Stempel hoch und landet dort, wo er nicht hingehört, meist auf der Matrizenfläche, wo ihn der nächste Hub in die Schiene presst.

Das dritte ist die Form des Grats. Ein Kupfergrat ist eine aufstehende Lippe, die sich abschlagen lässt. Ein Aluminiumgrat ist eine umgelegte, zähe Fahne, die sich unter einer Entgratbürste umlegt, statt abgeschert zu werden, und sich wieder aufstellt, wenn sich die Schiene durchbiegt.

Der Schneidspalt läuft der Erwartung entgegen

Die allgemeine Regel lautet, dass härterer Werkstoff mit höherer Scherfestigkeit mehr Schneidspalt verlangt und weicherer, zäherer Werkstoff weniger. Das ist das Gegenteil dessen, was die meisten Bediener vermuten, weil sie von der Werkzeugstandzeit her denken und nicht von der Schnittqualität.

Ist der Schneidspalt bei Aluminium zu groß, bricht es nicht sauber. Der Werkstoff wird in die Matrize gezogen und gedehnt; das ergibt einen großen Kanteneinzug, ein kegeliges Loch, das am Eintritt kleiner ist als am Austritt, und einen schweren Reißgrat auf der Unterseite. Ist er zu klein, bekommen Sie sekundäres Scheren, ein sichtbares zweites Bruchband an der Lochwand, und das Fressen wird schlimmer, weil Stempel und Schneidband der Matrize mit Aluminium dazwischen enger beieinanderliegen.

Veröffentlichte Schneidspalttabellen für Stromschienen widersprechen einander, und einige der kursierenden sind in sich unstimmig; nehmen Sie deshalb die Lochwand als Messmittel. Ein sauberes Glattschnittband mit einer einzigen Bruchzone darunter ist richtig, ein doppeltes Bruchband bedeutet zu wenig, und ein großer Kanteneinzug mit gerissenem Austritt bedeutet zu viel. Die Zahlen und die vollständige Diagnose stehen in Schneidspalt für Stromschienen aus Kupfer und Aluminium.

Die andere Korrektur, auf die es ankommt, ist die Geometrie der Stempelstirn. Ein Stempel mit flacher Stirn, der in Kupfer funktioniert, braucht in Aluminium eine Schneidschräge oder eine Anfasung, damit der Schnitt fortschreitend aufgebrochen und die Spitzenkraft gesenkt wird; das verringert sowohl den Schnittschlag als auch die Neigung des Butzens zu haften.

Rückfederung: es kommt darauf an, welches Aluminium

Die Rückfederung einer Biegung skaliert bei gegebenem Verhältnis von Biegeradius zu Dicke mit dem Verhältnis von Fließspannung zu Elastizitätsmodul, σy/E. Nicht mit der Festigkeit allein und nicht mit der Steifigkeit allein.

Rechnen Sie das Verhältnis für die drei gebräuchlichen Schienenwerkstoffe aus:

Halbhartes 1350 federt merklich weniger zurück als halbhartes Kupfer, denn obwohl es viel schwächer ist, ist es auch viel weniger steif, und die Festigkeit fällt stärker ab als die Steifigkeit. 6101B-T6 federt rund die Hälfte mehr zurück als Kupfer, weil es den größten Teil der Festigkeit von Kupfer zurückgewinnt und dabei den niedrigen Modul des Aluminiums behält.

Deshalb hören Sie von erfahrenen Leuten sowohl „Aluminium federt stärker zurück“ als auch „Aluminium federt weniger zurück“, und deshalb haben beide für den Werkstoff recht, mit dem sie gerade arbeiten.

Die praktische Antwort ist, nicht darüber zu streiten, sondern zu messen. Die Biegemaschinen haben eine elektronische Rückfederungskompensation; die Korrektur ist damit ein gespeicherter Wert je Werkstoff und je Werkzeugkombination und nicht die Gewohnheit eines Bedieners. Legen Sie drei Werkstoffeinträge an und nicht einen mit dem Namen „Aluminium“, und biegen Sie für jeden neuen Werkstoffzustand und jeden neuen Lieferanten ein Probestück. Dieselbe Sorgfalt gilt für den kleinsten Biegeradius, bei dem man bei Aluminium trotz der geringeren Kräfte im Allgemeinen großzügiger sein muss, weil die Zähigkeit, die es unter dem Stempel fließen lässt, es nicht davor schützt, in der Außenfaser einer engen Biegung zu reißen.

Beachten Sie außerdem den Ausdehnungskoeffizienten von 23 × 10⁻⁶ je K gegenüber 17 bei Kupfer. Über eine Schiene von 6 m ändert das, wie viel Länge Sie haben, wenn Sie in einer kalten Halle messen, und wo die Löcher liegen, wenn die Anlage warm ist.

Die Oxidschicht ändert alles Nachgelagerte

Kupfer oxidiert langsam, und die entstehende Schicht ist halbleitend, weil Kupferionen in sie hineindiffundieren und die Leitung in beiden Richtungen durch sie hindurch möglich ist. Deshalb funktionieren blanke Kupferverbindungen.

Aluminiumoxid ist ein hervorragender elektrischer Isolator, und es bildet sich innerhalb von Mikrosekunden, nachdem eine frische Oberfläche mit Luft in Berührung kommt. Jede Aluminiumschiene, die Sie erhalten, trägt es bereits. An jeder Schnittfläche und in jedem gestanzten Loch wächst eine neue, bevor Sie die Schiene ablegen können.

Es ist außerdem mechanisch hart. Korund ist ein Schleifmittel mit einer Härte im Tausenderbereich der Vickers-Skala gegenüber rund 90 HV für hartgezogenes Kupfer. Die Schicht, die nicht leitet, ist also zugleich die Schicht, die Ihre Werkzeuge verschleißt — eine unangenehme Kombination: Aluminium setzt das Werkzeug durch Adhäsion zu und schleift es zugleich durch das Oxid ab.

Zwei Folgen in der Fertigung.

Beim Entgraten setzt Aluminium Schleifbänder und Bürsten weit schneller zu als Kupfer, und das zugesetzte Mittel glättet dann, statt zu schneiden. Fahren Sie Aluminium mit eigenen Schleifmitteln. Teilen Sie ein Band nicht zwischen beiden Metallen, in keiner Richtung: Kupferpartikel, die in einer Aluminiumoberfläche stecken, sind galvanische Elemente, die auf Feuchtigkeit warten, und in eine Kupferverbindungsfläche eingeschmiertes Aluminium ist eine Isolierschicht genau an der falschen Stelle. Die BND800-2 nimmt Schienen von 0,5 bis 50 mm Dicke mit 5 bis 30 m/min auf; die beiden Metalle als getrennte Kampagnen mit einem Schleifmittelwechsel dazwischen zu fahren kostet daher Planung und nicht Durchsatz.

Beim Verbinden muss die Oxidschicht beim Zusammenbau mechanisch aufgebrochen und danach an der Neubildung gehindert werden. Übliche Praxis ist, die Verbindungsflächen unter einer Schicht Verbindungspaste aufzurauen, sodass frisches Metall nie Luft sieht, und sofort zu montieren. Eine Schiene, die am Montag vorbereitet und am Mittwoch verschraubt wird, ist umsonst vorbereitet worden.

Beschichtung und galvanische Paarung

Blanke Verbindungen Aluminium auf Aluminium können funktionieren, wenn sie mit Paste versehen und richtig montiert werden, sie verzeihen aber deutlich weniger als blanke Verbindungen Kupfer auf Kupfer, weil das Oxid isolierend und nicht halbleitend ist und weil Aluminium kriecht.

Merken Sie sich diesen Kriechwert. Geglühtes Aluminium 1080 zeigt bei 20 °C eine Mindestkriechrate von 0,022 % je 1000 Stunden bei 26 N/mm², und geglühtes hochleitfähiges Kupfer erreicht dieselbe Rate bei derselben Spannung erst bei 150 °C. Aluminium kriecht bei Raumtemperatur unter üblicher Kontaktpressung einer Verbindung bereits mit einer Rate, die Kupfer in seinem gesamten Einsatzbereich nicht erreicht. Tellerfedern an Aluminiumverbindungen sind keine Aufwertung, sie sind der Ausgangszustand; mehr dazu, warum, steht im Beitrag zu Schraubverbindungen.

Wo Aluminium auf Kupfer trifft, ist die Beschichtung nicht mehr optional. Die beiden Metalle liegen elektrochemisch weit auseinander, bei +0,34 V für Kupfer und −1,66 V für Aluminium gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode, und sobald ein Elektrolyt vorhanden ist, korrodiert das Aluminium. Die Regeln sind kurz:

• Verschrauben Sie blankes Aluminium nirgends mit blankem Kupfer, wo Feuchtigkeit oder Kondenswasser auftreten können.
• Verzinnen Sie die Aluminiumfläche, sodass beide Seiten der Trennfläche aus demselben Metall bestehen, oder verwenden Sie eine werkseitig gefügte bimetallische Übergangsplatte.
• Muss der Übergang auf der Baustelle hergestellt werden, dichten Sie die Trennfläche mit einer Paste ab und nehmen Sie ein Prüfintervall in Kauf.
• Halten Sie auch Stahlverbindungselemente vom unmittelbaren Kontakt mit Aluminium fern. Die Paarung ist weniger kritisch als mit Kupfer, aber sie ist nicht harmlos, und ein beschichtetes oder nichtrostendes Verbindungselement mit einer isolierenden Scheibe ist günstig.

Werkzeugverschleiß und Schmierung

Kupfer wird üblicherweise trocken gestanzt. Kupfer wirkt auf das Werkzeug in der gewöhnlichen Weise abrasiv, es haftet aber nicht; die Werkzeugstandzeit wird daher vom Verschleiß der Schneidkante bestimmt und ist vorhersehbar.

Aluminium sollte nicht trocken gestanzt werden, wenn es sich vermeiden lässt. Gegen das Fressen wirkt die Schmierung stärker als jede andere Einzelmaßnahme, und sie erledigt zwei Aufgaben zugleich: Sie verhindert, dass sich Metall auf den Stempel überträgt, und sie lässt den Stempel aus dem Butzen zurückfahren, ohne zu schleifen. Der Preis dafür ist, dass Schmierstoff auf einer Stromschiene vor dem Isolieren oder Beschichten wieder herunter muss; er muss also eine Sorte sein, die Ihre Entfettung tatsächlich entfernt, und der Reinigungsschritt gehört in den Arbeitsplan und darf nicht vorausgesetzt werden.

Werkzeugbeschichtungen helfen. Nitrierte oder DLC-beschichtete Stempel widerstehen dem Anhaften von Aluminium besser als blanker Werkzeugstahl. Auch die Häufigkeit der Stempelprüfung sollte sich ändern: Bei Kupfer prüfen Sie nach Hubzahl, bei Aluminium nach Lochqualität, weil das Fressen das Loch lange verschlechtert, bevor die Stempelschneide verschlissen ist.

Was zu ändern ist, wenn der Werkstoff wechselt

Wenn Sie eine Linie umstellen, lautet die kurze Liste:

1. Legierung und Werkstoffzustand aus dem Werkszeugnis bestätigen, nicht aus dem Lieferschein. 1350 und 6101B-T6 verhalten sich unterschiedlich genug, um als getrennte Werkstoffe behandelt zu werden.
2. Die Scherfestigkeit in der Kraftberechnung neu setzen und die Presskraft gegen das Lochbild prüfen, das tatsächlich am häufigsten gestanzt wird.
3. Den Schneidspalt für weiches Aluminium verkleinern und an der Lochwand prüfen, nicht an einer Tabelle.
4. Schmierung an der Stanze einführen und einen Reinigungsschritt danach.
5. Die Rückfederung je Werkstoffzustand über Probestücke neu ermitteln und als eigenen Werkstoffeintrag in der Biegemaschine hinterlegen.
6. Die Schleifmittel der Entgratung wechseln und getrennt halten.
7. Die Spezifikation der Verbindung ändern: Paste, sofortige Montage, Tellerfedern und Beschichtung an jeder Trennfläche Aluminium–Kupfer.

Innerhalb der Kupferfamilie wiegt der Werkstoffzustand ebenso schwer, und EN 13601 ist dafür die Referenz: von R220/H040 weichgeglüht mit 220 bis 260 N/mm² bis R290/H090 hart mit 290 bis 360 N/mm². Ein Betrieb, der einen Werkstoffzustand in Kupfer und eine Sorte in Aluminium fährt, hat zwei Werkstoffe zu verwalten. Ein Betrieb, der nimmt, was der Händler gerade am Lager hat, hat erheblich mehr als zwei, und die Maschineneinstellungen müssen das abbilden.