Fraunhofer IMWS entwickelt Prüfverfahren für Elektronik-Schutzgehäuse

17.12.2018

Kunststoffgehäuse, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen eingesetzt werden, sind enorm wichtig, um die eingebaute Elektronik zu schützen. Jedoch sind diese Isolationssysteme oft extremen Witterungsbedingungen und elektrischen Feldern ausgesetzt. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS hat gemeinsam mit der 3P GmbH mithilfe eines neuartigen Prüfkonzepts die Möglichkeit geschaffen, Ursachen für Materialdefekte unter Einsatzbedingungen zu erforschen. Das Projekt wurde auf der International Conference on Integrated Power Electronics Systems ausgezeichnet.

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© Fraunhofer IMWS

Die entwickelten Prüfkörper helfen beim Erkenntnisgewinn vom Einfluss von Feuchtigkeit bei Versagensprozessen.

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© Fraunhofer IMWS

Die entwickelten Prüfkörper als computertomographische Darstellung.

Leistungselektronik-Bauteile wie zum Beispiel Wechselrichter in einer Windkraftanlage werden durch die verschiedenen Umweltbedingungen stark beansprucht. Feuchtigkeit, Hitze und starke elektrische Felder können die sensiblen Elektronik-Bauteile negativ beeinflussen oder zu ihrem kompletten Ausfall führen. Um optimale Bedingungen für die Elektronik zu gewährleisten, wird sie durch schützende Gehäuse von Umwelteinflüssen abgeschirmt. Präzisere Versagensvoraussagen für die Materialien der Schutzgehäuse sind nun mit einem neuartigen Prüfungsmusterdesign für technische Kunststoffe möglich, das vom Fraunhofer IMWS gemeinsam mit der Präzisions-Plastic-Produkte GmbH (3P GmbH) entwickelt wurde. Isoliermaterialien können damit unter verschiedenen Umweltbedingungen über einen längeren Zeitraum hinweg im elektrischen Feld untersucht werden.

Um das Prüfkonzept zu entwickeln, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Prüfkörper aus PBT-Kunststoffen (Polybutylenterephthalat) im Kunststoffspritzgussverfahren gefertigt. Eine Materialprobe war glaskugelverstärkt, während die zwei anderen mit Glasfasern verstärkt wurden. Die Prüfkörper bestanden aus je zwei Elektroden, die direkt in das Kunststoffmaterial injiziert wurden, um auf zusätzliche Isolationen zu verzichten.

Die Untersuchungen ergaben insbesondere für den Einfluss von Feuchtigkeit ein besseres Verständnis von Versagensprozessen. Zudem haben das Fraunhofer IMWS und die 3P GmbH neue Verfahren entwickelt, um Fehler aufzuspüren und langfristige Vorhersagen in Bezug auf Defektbildungen treffen zu können. »Das neue Prüfverfahren erlaubt es, neue Materialien für Gehäuse und optimierte Verarbeitungstechnologien zu entwickeln, sodass noch hochwertigere und leistungsfähigere Gehäuse für Wechselrichter in Windkraftanlagen oder Autogetriebe zur Verfügung stehen«, sagt Sandy Klengel, Gruppenleiterin am Fraunhofer IMWS. »Die Qualität und Lebensdauer der Gehäuse wird immer wichtiger, weil durch den Trend zur Miniaturisierung elektronischer Baugruppen die Anforderungen auch an die Isolationssysteme steigen.«

Weitere Forschungen sind notwendig, um exaktere Aussagen zu Materialdegradation, Lebensdauereigenschaften und Alterungsmechanismen von Kunststoffen zu treffen. Zukünftige Studien sollten zudem den Einfluss von Additiven wie Flammschutzmitteln berücksichtigen, um die Materialzusammensetzung optimieren zu können.

Diese Ergebnisse präsentierte das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit der 3P GmbH auf der CIPS 2018 (International Conference on Integrated Power Electronics Systems) und gewann mit der Darstellung des Prüfkonzepts den Best Poster Award.

Das Forschungsprojekt wurde vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung Sachsen-Anhalt und dem Europäischen ECPE-Netzwerk über das »Joint Research«-Programm in Kooperation mit der Universität Kassel gefördert.