Elektronikbauteile sind empfindlich gegenüber Verschmutzungen. Sie können leicht kaputt gehen und im Fahrzeug für teilweise massive Störungen sorgen. Dagegen helfen spezielle Membranen, die zwar die Luft ein- und austreten lassen, jedoch sicher das Eindringen von Chemikalien oder Flüssigkeiten verhindern. Auch Temperaturschwankungen machen den Bauteilen zu schaffen, beispielsweise wenn das Gehäuse durch den Betrieb erhitzt ist, und dann mit kaltem Spritzwasser in Berührung kommt. Durch diese Temperaturschwankungen kann es zu Druckveränderungen in den Elektronikgehäusen kommen, was wiederum Dichtelemente sehr stark belastet. Das kann so weit gehen, dass Flüssigkeiten oder Schmutz in das Gehäuse eindringen und die empfindliche Elektronik beschädigen können. Zudem verursachen flüssige Chemikalien, Wasser und Schmutz Korrosion auf den Komponenten, was deren Lebensdauer stark verkürzen kann. Kommt es zu Beschädigungen, ist es notwendig, die betroffenen Bauteile auszutauschen. Das führt bei den Zulieferern und Herstellern zu hohen Kosten in den Bereichen Garantie- und Reparaturleistungen.

Membranlösungen stellen Druckausgleich und Luftaustausch sicher

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, etwas dagegen zu tun und beispielsweise der Korrosion der Elektronikbauteile entgegenzuwirken. Die Hersteller können die Bauteile in das Gehäuse eingießen. Dadurch entstehen dichte Bauteile, die keinerlei Verschmutzungen ausgesetzt sind. Allerdings haben solche Bauteile mehrere Nachteile. Sie sind wesentlich schwerer und lassen sich nicht öffnen und damit auch nicht reparieren.

Eine andere Möglichkeit sind hochwertige Dichtungen und ein massiveres Gehäuse. Diese Komponenten sind ebenfalls schwerer und vor allem ist die Herstellung mit höheren Kosten verbunden.

Die dritte Möglichkeit ist besonders sinnvoll und mittlerweile auch relativ weit verbreitet. Die Membrane befinden sich in einem geschlossenen System und sorgen dort für den Luftausgleich. Gleichzeitig verhindern sie, dass Schmutzpartikel oder Flüssigkeiten in die Bauteile eindringen. Von bdtronic gibt es spezielle Lösungen, wie Plasma- oder Dosieranlagen, die die Automobilelektronik zuverlässig vor äußeren Einflüssen schützen.

Was zeichnet Membranlösungen aus?

Wichtige Eigenschaften einer Membran sind Luftdurchsatz und Wassereintrittsdruck. Der Luftdurchsatz sagt etwas darüber aus, wie viel Luft unter bestimmten Bedingungen die Membran passiert. Er gibt die Zeit an, die es braucht um einen Über- oder Unterdruck auszugleichen. Der Wassereintrittsdruck sagt etwas darüber aus, wie viel Druck die Membran standhalten kann, bevor sie Wasser durchlässt. Beide ist von der Größe der Poren der Membran abhängig.

Die Druckausgleichsmembran

Schmutzpartikel und Flüssigkeiten, die in Elektronik-Gehäuse eindringen, verkürzen die Lebensdauer der Komponenten. Mithilfe entsprechender Membrane, können die Hersteller und Zulieferer die damit verbunden hohen Reparatur- und Garantiekosten senken. Diese Membrane müssen sowohl gegenüber einem hohen Luftdurchsatz und auch gegenüber dem Wassereintrittsdruck resistent sein.

Für die Hersteller sind die immer kompakter werdenden Elektronikkomponenten eine große Herausforderung. Damit die Belüftungselemente in die kompakten Gehäuse passen, müssen diese ebenfalls immer kleiner werden.

Die ePTFE-Membran für Beständigkeit gegenüber Chemikalien

PTFE ist Polytetrafluorethylen, ein Material mit einer besonderen Mikrostruktur, das sich bei Belüftungsanwendungen bewährt hat. Um eine noch feinere Struktur zu erhalten, recken die Hersteller das Rohmaterial in einem sehr speziellen Verfahren. Das Ergebnis ist ein feinporiges Material für die Membran, das durch sehr feine Fasern vernetzt ist. Das neue Material ist ePTFE, was expandiertes Polytetrafluorethylen bedeutet. Da es nur eine geringe Menge an frei verfügbarer Oberflächenenergie hat, wirkt es außerdem wasserabweisend. Auf der Oberfläche entstehen Wassertropfen, die zu groß sind, um die Membran zu durchdringen. Die Membran ist zugleich auch ölabweisend und wirkt abstoßend auf alle Flüssigkeiten, die nur eine geringe Oberflächenspannung haben. Diese Eigenschaft macht das Material insbesondere für die Automobilindustrie interessant. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass elektronische Bauteile mit Motorenöl, Reinigungsflüssigkeiten, Wasser und anderen Kfz-Flüssigkeiten in Berührung kommen.

Weiterer Vorteil von ePTFE – temperaturbeständig

ePTFE weist eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit auf. Es funktioniert zuverlässig im Temperaturbereich von -150 bis +240 °C. Das ist vor allem deshalb wichtig, weil Motoren immer weiter verkleidet werden. Die meisten elektronischen Gehäuse sind für eine Temperatur von 125 °C ausgelegt, was bei diesem Trend zum Problem werden kann. Im Motorraum entstehen mittlerweile Temperaturen von 150 °C und mehr.

Unterschiedliche Konfigurationen für verschiedene Anforderungen

Die Anwendungen für die Membranlösungen und auch die Anforderungen sind sehr unterschiedlich. Dafür müssen die Hersteller immer die individuell passende Membran auswählen. Von den Membranherstellern gibt es deshalb verschweißbare oder selbstklebende Kunststoffformteile und Belüftungselemente, die sich einfach in die Elektronikgehäuse integrieren lassen. Dabei handelt es sich um Hochleistungskleber, die stark auf verschiedenen Materialien wie Metall oder Kunststoff haften. Die Träger, auf denen sich die Membrane bei der Anlieferung befinden, erlauben es den Herstellern und Zulieferern, diese manuell oder maschinell aufzubringen. Der Haftkleber kommt allerdings im Motorraum schnell an seine Grenzen, wo er hohen Temperaturen oder anspruchsvollen chemischen Flüssigkeiten ausgesetzt ist. Deshalb eignen sich diese Membrane für Fahrzeugleuchten und ähnliche Komponenten, die nicht mit Chemikalien in Berührung kommen

Membrane zum Verschweißen

Be- und Entlüftungsscheiben, die gestanzt sind, können die Hersteller in verschiedenen Materialkombinationen und auch in verschiedenen Größen herstellen. Damit ist die anwendungsspezifische Herstellung möglich. Sie sind insbesondere dort weit verbreitet, wo die Membrane per Ultraschall-Schweißen auf einem Kunststoffgehäuse befestigt werden. Bei diesem Verfahren schmilzt ein kleiner Teil des Materials des Gehäuses und verbindet sich mit dem porösen Material der Membran. Die Temperaturen, die beim Ultraschall-Schweißen entstehen, liegen unterhalb des Schmelzpunktes von PTFE, sodass die Membran bei diesem Verfahren nicht beschädigt wird. Damit die Belüftungselemente bei der Anwendung dieses anspruchsvollen Verfahrens richtig funktionieren, sind geeignete Schweißgeräte notwendig und qualifizierte Mitarbeiter, die den Schweißprozess gut beherrschen.

Kunststoffformteile

Eine weitere Lösung, die gut unter anspruchsvollen Bedingungen funktioniert, sind Kunststoffformteile, die in die Gehäuse integriert werden. Dabei verarbeitet der Membranhersteller die Membran direkt weiter. In einem weiteren Produktionsschritt stellt er Kunststoffformteile her, in der die Membran schon integriert ist, sogenannten Molded Parts. Das Verfahren nennt sich Insert Moulding. Diese Formteile müssen dann nur noch mit einem Schnappverschluss in der Gehäuseöffnung befestigt werden. Dabei sind weder aufwendige Schutzwände, noch Sondermaschinen oder besonders qualifizierte Mitarbeiter notwendig. Die Membran ist dennoch vor mechanischen Beanspruchungen sicher geschützt.

Individuelle Lösungen für die Belüftung

Damit diese Lösungen für die Anwendungen genau passen und alle wichtigen Anforderungen erfüllen, arbeiten Membranhersteller und Fahrzeughersteller bzw. Zulieferer eng zusammen. Der Membranhersteller ist in den Entwicklungsprozess des Kunden einbezogen. Wenn alle Spezifikationen definiert sind, kann der Membranhersteller das passende Produkt aus seinem Portfolio auswählen oder eine kundenspezifische Lösung entwickeln. Das ist besonders dann interessant, wenn der Kunde sehr spezifische Anforderungen hat. Die durch diese Zusammenarbeit entstehenden Lösungen erfüllen die aktuellen Standards und können auch bereits zukünftige Anforderungen berücksichtigen.

Besondere Herausforderung – E-Fahrzeuge

Eine besondere Herausforderung ist das Temperaturmanagement in Elektrofahrzeugen, die mit Hochleistungselektronik und Batterien ausgestattet sind. Sie erreichen ihren optimalen Leistungsgrad nur unter bestimmten Temperaturbedingungen. Dabei entstehen oft sehr hohe Temperaturen, die eine Wasserkühlung der Komponenten notwendig machen. Die Temperaturunterschiede innerhalb der Elektronikkomponenten sind teilweise so groß, dass an der besonders kalten Gehäusestelle im Inneren Kondensat entstehen kann. Dadurch kann ein Kurzschluss entstehen oder es kann zu Korrosion führen.

Sind die Batteriegehäuse größer, wachsen auch die Anforderungen an den Druck- und Temperaturausgleich. Es ist dann oft nur noch schwer möglich, die Probleme zu lösen. Denn schon geringe Temperaturschwankungen können einen so hohen Druck im Inneren des Gehäuses verursachen, dass es zu Deformierungen kommt. Dazu kann es schon ausreichend sein, im Winter das Fahrzeug aus der warmen Garage zu fahren. Durch die kalten Temperaturen im Freien kann im Inneren ein Vakuum entstehen, das eine enorme Last pro Quadratmeter auf der Fläche erzeugt. Gehäuse in Leichtbauweise können derartigen Druckspitzen nicht standhalten.