Stromschienen für Ladeinfrastruktur fertigen

Ein Schaltanlagenbetrieb, der Arbeit für Ladeinfrastruktur übernimmt, findet die Teile meist einfach und das Verfahren schwierig. Die Schienen sind klein, die Querschnitte dünn, die geforderte Presskraft gering. Womit man nicht rechnet: Das Toleranzband ist enger als im Schaltanlagenbau, die Losgrößen sind kleiner, die Zeichnungen ändern sich von Fertigungslos zu Fertigungslos, und eine schlechte Kante kommt achtzehn Monate nach Inbetriebnahme als Isolationsfehler zurück und nicht als Schönheitsbeanstandung im Wareneingang.

Wie die Teile aussehen

Ladeinfrastruktur zerfällt in zwei recht unterschiedliche Gruppen von Sammelschienen.

Die AC- und Verteilungsseite eines Ladeschranks sieht vertraut aus: rechteckiges Kupfer, 6 bis 10 mm dick, gestanzt und gebogen, Schraubverbindungen, weitgehend wie ein kleiner Installationsverteiler. Nichts daran ist ungewöhnlich.

Auf der DC-Seite ändert sich die Arbeit. Die Ladearchitekturen haben sich bei CCS-Anlagen auf Betriebsbereiche von etwa 200 bis 920 V DC eingependelt, wobei die Spezifikation von 50 bis 1000 V DC zulässt. Das Megawatt Charging System, das jetzt für Nutzfahrzeuge ausgerollt wird, ist für 1250 V und 3000 A DC bemessen. Diese Zahlen bedeuten kurze, breite, dünne Leiter, die sehr hohe Ströme zwischen Leistungsmodulen führen, und sie bedeuten, dass die Leiter so dicht beieinanderliegen, dass die Luft allein nicht mehr isoliert.

Typische Arbeit auf der DC-Seite und an den Modulverbindungen liegt bei 1,5 bis 6 mm Dicke, oft unter 300 mm Länge, in Stückzahlen von einigen zehn bis wenigen hundert je Ausführung. Die Teile sind häufig laminiert oder folienisoliert statt blank. Und der Zeichnungsstand ändert sich, weil die Leistungselektronik in einem Ladeschrank einem Produktzyklus von zwei bis drei Jahren unterliegt und nicht einem von zwanzig.

Laminierte und isolierte Ausführungen

Drei Isolierverfahren überwiegen, und jedes stellt eine andere Anforderung an das Metall.

Die Folienlaminierung verbindet Polyester oder Polyimid mit dem Leiter, mitunter mit zwei oder mehr Leitern in einem Stapel, um die Schleifeninduktivität zu senken. Die Folie ist dünn, oft deutlich unter einem Millimeter, und sie muss sich an die Kante des Leiters anlegen, ohne dünner zu werden oder zu überbrücken.

Die Pulverbeschichtung trägt Epoxidpulver elektrostatisch auf und härtet es im Ofen aus. Sie ist günstig und übersteht die Handhabung. Sie verzeiht scharfe Geometrie aber nicht, denn beim Aushärten fließt die Beschichtung, und die Oberflächenspannung zieht sie von konvexen Kanten weg; die Schicht ist damit genau dort am dünnsten, wo die Feldstärke am höchsten ist.

Umspritzen und Vergießen legen den Leiter in ein Werkzeug und formen Harz um ihn herum oder vergießen die ganze Baugruppe. Das ergibt von den dreien das mechanisch beste Ergebnis und zugleich die geringste Toleranz gegenüber eingeschlossener Luft, denn ein beim Umspritzen entstandener Hohlraum ist innen eingeschlossen und lässt sich ohne eine Spannungsprüfung nicht feststellen — und die kann trotzdem bestanden werden.

Veröffentlichte Empfehlungen zur Kantenausführung laminierter Sammelschienen nennen vier Wege: offene Kante, Quetschversiegelung, FR4 und mit Epoxid gefüllte Kante. Die Quetschversiegelung verlangt einen Isolationsüberstand von mindestens der doppelten Leiterdicke über die Kupferkante hinaus, und dieser Überstand funktioniert nur, wenn die Kupferkante dort liegt, wo die Zeichnung sie angibt. Das ist eine Fertigungsbedingung im Gewand einer konstruktiven Wahl.

An der Kante versagt die Isolierung

Die Qualität der Fase bestimmt diesen Bereich, und zwar aus einem physikalischen Grund, den die meisten Spezifikationen nur als nacktes Maß angeben, ohne zu sagen, woher es stammt.

Beginnen Sie bei der Geometrie. Eine geschnittene oder gestanzte Kante ist nicht rechtwinklig. Sie hat auf der Eintrittsseite einen Kanteneinzug, ein Glattschnittband, eine Bruchzone und auf der Austrittsseite einen Grat. Die „Kante“ ist tatsächlich ein Radius von einigen zehn Mikrometern, und stellenweise ist sie eine Gratspitze mit einem noch kleineren Radius.

Nun bringen Sie eine Isolierung darauf. Gleich welches Verfahren, der Werkstoff muss um diese Kante einen rechten Winkel nehmen. Folie überbrückt, statt sich anzulegen. Pulver zieht sich zurück. Formharz muss eine einspringende Ecke gegen die eigene Oberflächenspannung und gegen die dort bereits sitzende Luft füllen. In jedem Fall ist das wahrscheinliche Ergebnis eine kleine Lufttasche, eingeschlossen zwischen Leiter und Isolierung, genau an der Kante.

Diese Tasche ist das Problem, aus zwei Gründen, die sich verstärken.

Erstens ist die Feldstärke dort am höchsten. Das elektrische Feld konzentriert sich an einer konvexen Leiterkontur, und bei kleinen Radien skaliert die örtliche Überhöhung etwa mit dem Kehrwert des Radius. Eine Gratspitze von 20 µm in einem Feld, das über eine ebene Fläche hinweg unkritisch ist, ist an der Spitze nicht unkritisch.

Zweitens ist die Luft der schwächste Werkstoff in der Baugruppe, und sie trägt mehr als ihren Anteil am Feld. In einem Hohlraum, der von einem festen Dielektrikum umgeben ist, ist das Feld im Hohlraum etwa um das Verhältnis der relativen Permittivitäten höher als im Feststoff. Epoxid und Polyester liegen bei etwa 3 bis 4, Luft bei 1. Der Hohlraum sieht also das Drei- bis Vierfache des Feldes im umgebenden Harz und hat dabei etwa ein Zehntel von dessen Durchschlagfestigkeit.

Der Hohlraum ionisiert, und wenn er einmal ionisiert, hört er nicht wieder auf. Die Teilentladung erodiert die Isolierung von innen, der erodierte Hohlraum wächst, die Entladungsaktivität wächst mit ihm, und das Teil versagt schließlich bei einer Spannung, der es am Tag der Prüfung standgehalten hat. Die Forschungsliteratur zu laminierten Sammelschienen ist darin einheitlich: Die Teilentladungseinsetzspannung in eingebetteten Fehlstellen liegt bei einigen Kilovolt, und das liegt innerhalb des Betriebsbereichs einer Architektur mit 800 V oder 1000 V DC, sobald man transiente Überspannungen mitzählt.

Eine gerundete Kante verringert den Überhöhungsfaktor, und, nützlicher noch, sie gibt dem Isolierstoff eine Geometrie, die er benetzen und an die er sich anlegen kann. Das Feld wird nie gleichmäßig; es wird beherrschbar. Das ist das gesamte Argument für das Anfasen in dieser Anwendung, und es beruht auf Physik und nicht auf einer Festlegung.

Was die Normen dazu tatsächlich sagen

IEC 60664-1 ist die Norm zur Isolationskoordination und die richtige Referenz für die Werte der Luft- und Kriechstrecken in einer Ladeschrank-Konstruktion. Die Luftstrecke ergibt sich aus der Bemessungs-Stoßspannung zusammen mit Verschmutzungsgrad und Höhe, die Kriechstrecke aus der Arbeitsspannung zusammen mit dem Verschmutzungsgrad und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung des Isolierstoffs. Das sind die Größen, nach denen ein Konstrukteur in der Ladeinfrastruktur arbeitet.

Was IEC 60664-1 nicht tut: Sie schreibt das Anfasen nicht vor. IEC 61439 ebenso wenig. Das muss gesagt werden, denn ein guter Teil der Lieferantenunterlagen behauptet, IEC 61439 schreibe einen Kantenradius an der Sammelschiene vor, und eine solche Festlegung gibt es nicht. Der Kantenradius ist ein technisches Mittel, die Festlegungen zu Isolationsfestigkeit, Luft- und Kriechstrecken einzuhalten und ein Isolierverfahren fertigbar zu machen. Verlangt die Spezifikation eines Kunden einen bestimmten Radius, stammt diese Zahl aus seinem Isolierverfahren; fragen Sie also, aus welchem. Die Antwort ändert, was „gut“ bedeutet: Ein Radius, der für die Quetschversiegelung ausgelegt ist, ist nicht der Radius, der für die Pulverbeschichtung ausgelegt ist.

Wie eine gute Kante in der Fertigung aussieht

Zwei getrennte Arbeitsgänge, die häufig verwechselt werden.

Das Entgraten entfernt den Grat und das Oxid. Es ist ein Arbeitsgang für den Oberflächenzustand über die ganze Fläche, und es ist das, was Sie vor dem Beschichten oder vor dem Aufbringen einer selbstklebenden Folie tun. Eine zweistufige Entgratmaschine, die 0,5 bis 50 mm Dicke mit 5 bis 30 m/min bearbeitet, bringt das ganze Los auf einen gleichmäßigen Zustand, und das wiegt für die Haftung der Beschichtung schwerer als die mittlere Oberflächengüte.

Das Anfasen ist ein gesteuertes Abtragen der Kante auf ein festgelegtes Profil. An dünnen Teilen der Ladeinfrastruktur liegt hier die Schwierigkeit, denn eine Schiene von 2 mm hat sehr wenig Kante zum Abtragen, und eine grob angesetzte Fase frisst in einen Querschnitt hinein, der nach dem Strom bemessen war. Eine CNC-Fasmaschine, die Material von 3 bis 15 mm Dicke mit ±0,05 mm Positionier- und Wiederholgenauigkeit bearbeitet, mit einer BT40-Spindel bis 6000 rpm, erzeugt am Teil eins dasselbe Profil wie am Teil vierhundert. Ein Handschleifbock tut das nicht, und an einem laminierten Teil, bei dem der Folienüberstand gegen die Kupferkante festgelegt ist, ist eine wandernde Fase eine Fase, die die Kante verschiebt.

Die Reihenfolge wiegt ebenso schwer wie die Arbeitsgänge selbst. Anfasen vor dem Entgraten, damit der Entgratdurchgang den Sekundärgrat abträgt, den der Fasfräser aufwirft; Entgraten vor jedem Beschichten, denn Oxid unter einer Beschichtung ist ein Haftungsversagen, das auf einen Temperaturwechsel wartet; und nach dem Beschichten nicht biegen, sofern die Beschichtungsspezifikation es nicht erlaubt, denn die Außenfaser einer Biegung wird gedehnt, und eine Beschichtung, die bei 3 mm Radius geschlossen war, ist es bei 2 mm möglicherweise nicht. Bei laminierten Baugruppen muss das Umformen vor dem Laminieren abgeschlossen sein, ohne Ausnahme.

Zwei praktische Prüfungen, die die meisten Probleme abfangen, bevor sie die Isolierlinie erreichen. Sehen Sie sich die Kante unter Vergrößerung an, statt mit dem Daumen darüberzufahren, denn der Daumen findet einen Grat und übersieht eine einspringende Falte. Und prüfen Sie die Fase am letzten Teil eines Loses, nicht am ersten, denn der Werkzeugverschleiß an Kupfer ist langsam und summiert sich und zeigt sich als allmählich schrumpfender Radius.

Das Rüsten ist die Beschränkung in der Fertigung

Fünfzig Teile einer Ausführung, dann ein Änderungsstand, dann achtzig der nächsten. Das ist der Takt der Arbeit für Ladeinfrastruktur, und er bedeutet, dass die Maschine mehr Zeit im Rüsten verbringt als im Lauf. Drei Dinge entscheiden darüber, wie viel der Schicht dabei verloren geht.

Die Kapazität des Werkzeugmagazins kommt zuerst. Eine Teilefamilie mit hoher Variantenvielfalt braucht viele Lochgrößen, und jedes Werkzeug, das nicht im Magazin steht, ist ein manueller Werkzeugwechsel mitten im Auftrag. Ein Bearbeitungszentrum mit 24 Werkzeugstationen, erweiterbar auf 36, arbeitet eine gemischte Auftragsliste ab, ohne dass ein Bediener die Werkzeuge anfasst. Derselbe Auftrag auf einer Maschine mit acht Stationen wird zu einer Reihenfolgeaufgabe, bei der Sie die Teile nach Werkzeug statt nach Liefertermin gruppieren, und die Kosten dieser Planung bleiben unsichtbar, bis jemand sie misst.

Dann die Zeit vom Programm zum Teil, in der Kleinserie die größten verdeckten Kosten. Wenn ein Änderungsstand eine Stunde manuelles Programmieren kostet, verbrennt eine Produktfamilie mit Zweijahreszyklus Wochen an Ingenieurzeit, die nie angeboten wurden. Software, die die Geometrie einliest und das Programm erzeugt, ohne Maße neu einzutippen, nimmt sowohl die Stunde als auch die Übertragungsfehler weg, die das Neueintippen mit sich bringt.

Die Schachtelung ist das dritte. Kleine Teile aus dünnem Material erzeugen viel Abschnitt, und eine projektweite Schachtelung mit Reststückverwaltung lässt den nächsten Auftrag die Reststücke des vorigen aufbrauchen. In einem Betrieb mit fünfzig Teilenummern im Monat zeigt sich das in der Materialausnutzung und nicht nur in einem aufgeräumteren Regal.

Für das leichtere Ende der Arbeit reicht eine kompakte Kombimaschine mit 300 kN für 160 × 15 mm in der Regel mehr als aus. Die Presskraft war nie die Beschränkung. Die Rüstzeit war es.

Wenn Sie prüfen, ob ein dünner Querschnitt eine Biegung mit dem auf Ihrer Zeichnung angegebenen Radius ohne Riss übersteht, gibt Ihnen der Rechner für die Biegekraft die Kraft und erlaubt Ihnen, die Matrizenöffnung zu überschlagen, bevor Sie Metall schneiden.