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Schneidklemmtechnik Design von Schneidklemmverbindungen mit FEM-Simulation

| Autor / Redakteur: Stefan Jörgens* / Kristin Rinortner

Die Tücke bei der Entwicklung von Steckverbindern in Schneidklemmtechnik liegt im Detail. Große Erfahrung ist notwendig, um alle Randbedingungen bei der Applikation so zu berücksichtigen, dass keine Ausfälle auftreten. Ein wesentliches Hilfsmittel ist hier die FEM-Simulation.

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Die moderne Verdrahtungstechnik im Bereich der Haushaltsgeräte (z.B. Waschmaschinen, Spülmaschinen, Kühlgeräte und Herde), der Heizungstechnik wie auch der Consumer-Elektronik steht – nicht zuletzt wegen der Globalisierung der Entwicklungs- und Produktionsaktivitäten – unter einem permanenten Innovationsdruck, der u.A. durch folgende Punkte geprägt ist:

  • Kostendruck auf Seiten der Komponenten- und Kabelbaumlieferanten
  • Zunehmende Modularisierung von Endgeräten, die durch sog. Plattformstrategien und Upgradefähigkeit begründet wird.
  • Zunehmende Integration von Sensorik und zugehöriger Auswerteelektronik in Endgeräte.
  • Globale Komponentenentwicklung, bei geforderter problemloser Endmontage an verschiedenen Fertigungsstandorten der jeweiligen OEM.
  • Flexibilisierung in der Endmontage
  • Wartungsfreundlichkeit und Demontage der Endgeräte (End of Live)

In diesen Segmenten wird immer konsequenter die Parallelverdrahtung eingesetzt, um den o.a. Forderungen zu begegnen. Die Parallelverdrahtung kann z.B. durch Folienleiter umgesetzt werden, die sich im Automotive-Umfeld bereichsweise schon sehr stark durchgesetzt haben, aber auch mit konventionellen Flachbandkabeln oder Einzelleitungen. Folienleiter benötigen bis heute speziell entwickelte Steckverbinder, die größtenteils so konzipiert sind, dass sie mit einem bestimmten Folientypen optimale Verbindungsergebnisse erzielen. Für Flachbandkabel und Einzelleitungen stehen eine Reihe von Standard-Steckverbindern (Crimp- und Schneidklemmtechnik) zur Verfügung.

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Insbesondere die Steckverbinder, die auf das Prinzip der Schneidklemmtechnik (SKT) ausgelegt sind, unterstützen die für die Verdrahtungstechnik weiter oben erwähnten Forderungen. Gepaart mit einer entsprechenden Verarbeitungstechnik bietet die Schneidklemmtechnik heute zuverlässige Lösungen für Ströme bis zu 25A.

Grundlagen der Schneidklemmtechnik

In Bild 1 sind exemplarisch Steckverbinder, Schneidgabel und Kabel im konfektionierten und nicht konfektionierten Zustand dargestellt. Die hier für einen isolierten Massivleiter dargestellten Prinzipien gelten auch für Litzenleiter, Flachbandleiter sowie für Lackdrähte, die einfach und doppeltisoliert mit Schneidklemmverbindern angeschlagen werden können.

Die zur Herstellung der Schneidklemmverbindung erforderliche Relativbewegung zwischen Kontaktelement und Lei-tung wird in Abhängigkeit vom konstruktiven Aufbau des Steckverbinders auf unterschiedliche Arten realisiert. Bei dem hier gezeigten Konzept werden die Leitungen relativ zur feststehenden Schneidgabel bewegt, wozu hier das in der sogenannten Vorraststellung stehende Steckverbinderoberteil verwendet wird.

Mit diesem Oberteil werden in einem Hub alle Einzelleitungen zeitgleich bewegt und auf diese Weise die Schneidklemmverbindung realisiert. Steht kein beweglicher Deckel zur Verfügung, kann bei feststehender Schneidgabel die Funktion des Deckels durch spezielle Eindrückstempel übernommen werden. Die Nachteile des fehlenden Deckels (z.B. nicht gegebene Fingersicherheit) müssen bei einer solchen Ausführung ggf. durch zusätzliche Maßnahmen eliminiert werden.

Eine weitere Möglichkeit, die erforderliche Relativbewegung herzustellen, ist die Bewegung des Kontaktelementes mitsamt der Schneidgabel relativ zum feststehenden Leiter. In diesem Fall ist der Kontaktträger so konzipiert, dass Lei-tungen ihren Gegenhalt im Kontaktträger selbst finden, und im Konfektionierungswerkzeug spezielle Stempel den Schneidspalt in die Leitungen drücken.

Welches der beiden Prinzipien Anwendung findet, hängt stark von der Konzeption des dazugehörigen Verarbeitungs- bzw. Konfektionierungsequipments ab. Auf jeden Fall kann in beiden Fällen ein optimales Schneidklemmergebnis erzielt werden.

Für die Beurteilung der Schneid-Klemm-Qualität können prinzipiell mehrere Verfahren eingesetzt werden. Zum Einen ist dieses die klassische Schliffbildanalyse (Bilder 3 und Bild 4), zum Anderen die Röntgen- (bzw. Computertomographie-)analyse, deren Ergebnis exemplarisch in Bild 2 wiedergegeben ist.

In dem hier dargestellten Beipiel ist die Einstellung des Analyseprogramms so gewählt, dass Kontaktträger und Deckel des SKT-Steckverbinders wie auch die Isolierung der Leitung nicht abgebildet werden. Es ist gut zu erkennen, dass durch den Schneidklemmvorgang der Litzenverbund zwischen den beiden Schneidgabeln kaum beeinflusst wird, was auf eine gute Schneidklemmverbindung schließen lässt. Unter wirtschaftlichen Gesichtpunkten hat die CT-Analyse gegenüber der klassischen Schliffanalyse z.Zt. noch klare Nachteile. Eindeutige Vorteile ergeben sich allerdings durch die zerstörungsfreien Analysemöglichkeiten, die insbesondere zum Beurteilen von potentiellen Fehlerbildern genutzt werden.

Generell werden Schneidklemmverbindungen über die internationalen Standards Solderless Connections (IDT): IEC 60352-3 and IEC 60352-4 definiert. Abgesehen von diesen Standards sind für eine Schneidklemmverbindung noch Punkte wie z.B. Schlaglängen, Shore-Härten und Leiteraufbau zu berücksichtigen.

Neuste Designmethoden für SKT-Steckverbinder

Bis vor einigen Jahren war die Entwicklung von Schneidklemmverbindern stark durch sogenannte „Trial and Error“- Verfahren, gepaart mit einer großen Erfahrung der Entwicklungsingenieure, geprägt. Aufgrund der immer weiteren Verkürzung von Innovationszyklen müssen auch die Gesamtentwicklungszeiten für Steckverbinder in Zukunft weiter sinken. Diese Verkürzung beschränkt sich nicht allein auf die reine Designphase der Steckverbinder, sondern bezieht sich auf die gesamte Prozesskette von der Idee bis zur Massenproduktion und Auslieferung an die Kunden.

In diesem Zusammenhang spielen vor allem die Entwicklungszeitverkürzung, die Reduktion der kompletten Projekt-durchlaufzeiten durch parallele numerische Analyse des Produktes und dessen Einzelteile sowie den erforderlichen Produktionswerkzeugen (Spritzgusswerkzeuge, Stanzwerkzeuge, Montageautomaten) sowie Qualitätsverbesserung, Fehlervermeidung und dadurch einhergehende Kostenreduzierungen eine wesentliche Rolle.

Der dadurch entstehende Druck auf Entwickler und Konstrukteure lässt sich vor allem durch das „magische Dreieck“ (Bild 5) plakativ darstellen. Zu den sich wechselseitig beeinflussenden Faktoren der Kundenanforderungen, „time to market“ sowie den erforderlichen Entwicklungsqualitäten kommt ein immer höherer Kostendruck hinzu, der nicht nur durch Wettbewerb aus „Billiglohnländern“ provoziert wird.

Alle Entwicklungs- und Fertigungsprozesse mit Simulation begleiten

Diese Situation verdeutlicht, dass es empfehlenswert ist, nicht nur das Produkt an sich, sondern auch alle Entwicklungs- und Fertigungsprozesse mit entsprechenden Simulationstools zu begleiten. Damit können in sehr kurzer Zeit unterschiedliche konzeptionelle Ansätze bewertet und verglichen werden. Kriterien der Beurteilung sind u.a. die technischen Eigenschaften des Produktes, die Herstellbarkeit, die erforderlichen Produktions- und Prozessschritte sowie alle mit den obigen Punkten zusammenhängenden Kostenfaktoren

Im Umfeld des Steckverbinderentwicklungsprozesses sind mechanische, thermische und elektrische Fragestellungen genügend genau mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) beschrieben. Lediglich die Auslegung und Abstimmung der Schneidgabel für verschiedene Leiter- und Isoliertypen ist noch nicht in allen Punkten von dieser Methode gelöst (Bild 6). Die im Weiteren beschriebenen FEM-Ansätze beziehen sich ausschließlich auf das Design der Schneidgabel und den damit ver-bundenen Fragestellungen. Die Kernpunkte dieser Analysen sind die Beschreibung des SKT-Prozesses, die mechanische Belastung der Schneidgabel, die mechanische Belastung der Leitung (Kupferader wie Isolierung) sowie die erforderlichen Kräfte während des Konfektioniervorgangs.

Die Beantwortung dieser Fragestellungen gibt sowohl für das Produktdesign als auch für das Design der Montage- und Verarbeitungswerkzeuge (Kniehebelpressen, Halbautomaten sowie Vollautomaten für die Kabelkonfektionierung) wertvolle Hinweise, die zu einer Gesamtbeschleunigung des Entwicklungsprozesses führen.

Komplexität der Berechnungen steigt mit der Zeit

Dem Grundsatz folgend, dass die Komplexität von Berechnungen im Laufe der Projektarbeit ansteigt, wurden zu Anfang der FEM-Analysen nicht isolierte Massivleiter analysiert. Die entsprechenden Kraft-Weg-Verläufe während des Eindrückvorganges sind in Bild 7 zu sehen (Simulation im Vergleich zur Messung). Im Grenzfall kann dieser Anwendungsfall auch durch analytische Methoden angenähert werden. Es ist gut zu erkennen, dass die verwendeten FE-Modelle genügend genau die realen Verläufe abbilden. Die Differenz zwischen der Original- und der gefitteten Geometrie ist durch die „Nennmaßbetrachtung“ während der ersten Simulation zu erklären. Hierbei werden keinerlei Toleranzen berücksichtigt, die allerdings in der Realität sehr wohl vorliegen. Die gefittete Geometrie bildet genau diese Toleranzen ab.

Die nächste Stufe der Modellierung bezieht sich auf einen isolierten Massivleiter und stellt aufgrund der hinzukommenden Fragestellung bzgl. der Isolierung (Reibparameter, Spannungs-Dehnungsverhalten, Scherverhalten) deutlich höhere Ansprüche an das FE-Modell. Hier sind die Schwierigkeiten vor allem bei den Reibparametern zu sehen, die in ihren realen Werten noch nicht hinreichend bekannt sind.

In Bild 8 ist zu erkennen, dass das qualitative Verhalten der simulierten Kraft-Weg-Verläufe mit dem der gemessenen Werte übereinstimmt. Die quantitativen Differenzen sind vornehmlich durch nicht genügend genau beschriebene bzw. bekannte Werkstoff- und Reibparameter zu erklären. Bild 9 zeigt, dass sich die Leiterisolierung – wie in der Realität – sauber vom Leiter trennt, was ein weiteres Indiz für die Funktionsfähigkeit der FE-Modelle ist.

Hohe Kunst: Litzenleiter simulieren

Die Simulation von Litzenleitern ist in diesem Zusammenhang die komplexeste Fragestellung, die in zwei Stufen unterteilt wird. Im ersten Schritt wird ein Litzenleiter ohne Isolierung modelliert und simuliert, um das grundsätzliche Verhalten des Simulationsmodells bei der Verwendung von Litzen zu überprüfen. Im nächsten Schritt wird die entsprechende Isolierung berücksichtigt und somit der im Umfeld der Schneidklemmtechnik meist auftretende Anwendungsfall simuliert.

Die ersten Ergebnisse, samt des prinzipiell verwendeten Simulationsmodells, sind in Bild 10 zu sehen. Hieran ist zu erkennen, dass das Modell qualitativ richtige Ergebnisse bzgl. des Litzenverhaltens während des Schneidklemmvorganges wiedergibt. Darüber hinausgehende Ergebnisse stehen noch nicht zur Verfügung und sind aktueller Gegenstand der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet (mit den dazugehörigen Material- und Reibparameter).

Schneidklemmtechnik besetzt Einsatzfelder der Crimptechnologie

Die Schneidklemmtechnik ist eine in sich einfach zu verstehende Verbindungstechnologie zwischen einem Kontaktelement und einer Leitung. Die Tücke liegt im Detail, und es bedarf einer reichhaltigen Erfahrung der Design-Ingenieure, um alle Randbedingungen der angestrebten Applikationen so zu berücksichtigen, dass es zu keinen Ausfällen kommt. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Nutzung der FEM, die den Designprozess deutlich beschleunigt und ein grundsätzlich tieferes und besseres Verständnis des Designs zu erlangen hilft. Die Modellierung mit Finiten Elementen kann heute noch nicht alle Aspekte der Schneidklemmtechnik umfassend lösen.

Der Schneidklemmtechnik stehen heute alle Branchen und Einsatzfelder zur Verfügung, in denen auch die Crimptechnologie eingesetzt wird. Insbesondere im Automotive-Umfeld sind noch eine Fülle von möglichen Anwendungsfeldern zu finden. Die große Stärke der Schneidklemmtechnik ist in diesem Zusammenhang insbesondere in der kostengünstigen Herstellung zu sehen, sodass noch einiges an Rationalisierungspotenzial mithilfe dieser Technologie zu erschließen ist. Die Stromtragfähigkeit ist heute allerdings auf 25 A begrenzt, sodass die SKT vornehmlich auf Signallevel ihren Einsatz finden wird. Hinsichtlich aggressiver Umgebungsbedingungen sind bei der Schneidklemmtechnik – im Vergleich zur Crimptechnik – keine Einschränkungen zu machen.

Stefan Jörgens ist Leiter Entwicklung und Konstruktion bei Lumberg Connect in Schalksmühle.

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