Von der Fotokamera bis zum Herzschrittmacher, vom Hybrid-Rennauto bis hin zum solarbetriebenen Schiff: Kondensatoren sind aus Industrie und Alltag kaum mehr wegzudenken. In elektrischen Systemen sorgen sie unter anderem dafür, dass Spannungsspitzen geglättet und Fehlströme eliminiert werden. Bei Blitzanwendungen – beispielsweise in Radarfallen oder bei professionellen Blitzgeräten in Fotostudios – dienen Kondensatoren als elektrische Energiespeicher. Nach dem Aufladen auf eine bestimmte Spannung sind sie in der Lage, Verbraucher mit hohem, kurzzeitigem Leistungsbedarf anzutreiben. In Flugzeugen sorgen die passiven Bauteile unter anderem für die Energieversorgung der Brems- und der On-board-Systeme. Auch im Bereich der E-Mobilität kommen Kondensatoren zum Einsatz, hier werden sie beispielsweise zur Stromversorgung der Elektromotoren und zur EMV-Reduzierung angewendet.
Eine der letzten Firmen, die Kondensatoren für unterschiedlichste Anwendungen ausschließlich in Deutschland fertigt, ist Fischer & Tausche Capacitors (FTCAP) mit Sitz in Husum in Schleswig-Holstein. Die 1948 gegründete Firma hat sich auf Film- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren für besondere Anwendungen in kleineren und mittleren Stückzahlen spezialisiert. Neben dem Standard-Sortiment bietet FTCAP auch Sonderlösungen für komplexere Anforderungen, wie beispielsweise besonders langlebige Folienkondensatoren für Umrichter in Windkraftanlagen.
Schutz vor Teilentladungen und Überschlägen
Um die steigende Nachfrage nach seinen Produkten bewältigen zu können, erweiterte der Kondensatorhersteller seine Fertigungsstätten erst kürzlich um eine 600 m2 große Halle. Speziell für die Fertigung von Hochspannungskondensatoren für die Medizintechnik wurde zudem ein neuer Vergussprozess etabliert. „In der Medizintechnik kommen Kondensatoren mit Nennspannungen von mehr als 120 kV unter anderem in Computertomographen oder Röntgengeräten zum Einsatz. Sie glätten den Wechselstrom in Hochspannungskaskaden und gewährleisten so eine gute Strahlqualität“, erklärt André Tausche, Geschäftsführer von FTCAP. „Die Kondensatoren müssen höchste Anforderungen in Bezug auf Sicherheit, Funktionalität und Lebensdauer erfüllen. Mit unseren bisherigen Vergussanlagen war dies jedoch nur unter hohem Aufwand zu erreichen.“
Um bei Filmkondensatoren für Hochspannungsanwendungen optimale Vergussqualität und somit auch eine zuverlässige Funktion über ihre gesamte Lebensdauer hinweg sicherzustellen, ist ein Verguss unter Vakuum notwendig. Dieses Verfahren schützt die Bauelemente nicht nur vor schädlichen äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Staub oder aggressiven Chemikalien. Ein Vakuumverguss verhindert darüber hinaus auch, dass Luftblasen mit dem Vergussmedium im Kondensatorgehäuse eingeschlossen werden. Im späteren Betrieb können diese Einschlüsse Teilentladungen verursachen, die die umgebende Isolierung schädigen und schließlich zu Überschlägen führen. Dies hätte schwere bis irreparable Schäden am Endgerät und damit auch beträchtliche wirtschaftliche Kosten zur Folge. Um einen optimalen Vergussprozess und damit auch maximale Isolierfestigkeit zu erreichen, braucht es deshalb eine ausgereifte und an die Anwendung angepasste Anlagentechnik. Zudem muss bereits die Aufbereitung und Förderung des Vergussmaterials unter Vakuum erfolgen. Nur so kann eine durchgehende Blasenfreiheit sowie effektiver Schutz vor Feuchtigkeit über den gesamten Fertigungsprozess hinweg gewährleistet werden.
Exkurs: Herstellung von Folienkondensatoren
Die Basis für die Produktion von Folienkondensatoren bildet eine sogenannte „Mutterrolle“ aus Kunststofffolie. Diese wird unter Vakuum ein- oder beidseitig mit einer nur wenige Atomlagen dicken Schicht aus Aluminium oder Zink bedampft. Die Spannungsfestigkeit des späteren Kondensators hängt vom Dielektrikum ab: Für höhere Spannungen sind dickere Dielektrika notwendig. Die metallisierte Mutterrolle wird anschließend in kleinere Rollen geschnitten. Je nach Bauart des Kondensators definiert die Breite bzw. Höhe dieser kleineren Rollen die Abmessungen. Im nächsten Schritt werden zwei metallisierte Folienrollen mit Versatz übereinander gewickelt, so dass jeweils eine Kante der Metallisierung aus einer der beiden Seitenflächen des Wickels herausragt. Bei Box-Kondensatoren wird der Wickel dann in einem zusätzlichen Prozessschritt mittels Druck geplättet. Darauf folgt die sogenannte „Schoopierung“: Hier werden die seitlich herausragenden Filmenden mittels einer Sprühmetallisierung elektrisch kontaktiert. Beim anschließenden Ausheilen oder „Burn-in“ legt man eine geeignete Spannung an den schoopierten Wickel, womit eventuell vorhandene Fehlstellen an der Folie ausgebrannt werden. Auf diesen Schritt folgt das Anschweißen bzw. Anlöten der Anschlusspins an die schoopierten Seitenflächen der Wickel. Diese werden dann in einem Gehäuse platziert und blasenfrei unter Vakuum vergossen. Der Verguss verhindert, dass Feuchtigkeit in die Wicklungen kriecht und sorgt für die notwendige Langzeitstabilität des Kondensators. Im letzten Prozessschritt folgt schließlich die elektrische Endkontrolle: Hier wird jeder Kondensator auf die Einhaltung des spezifizierten Kapazitätswertes, des Verlustfaktors und der Impedanz getestet. Um Kriechströme beim Messen zu verhindern, führt FTCAP die Messungen ausschließlich in vollklimatisierten Räumen bei geringer Luftfeuchtigkeit durch.
2K-Epoxid mit hoher Dauertemperaturbeständigkeit
Vor der Entscheidung für eine passende Anlagentechnik für den neuen Vergussprozess stand bei FTCAP die Suche nach dem passenden Vergussmaterial. „Für unsere „normalen“ʻ Kondensatoren verwenden wir Gießharze auf Basis von Polyurethan. Da die Hochspannungskondensatoren im Betrieb allerdings mit Flüssigkeiten wie Transformatorenöl in Kontakt kommen, sind hier Epoxidharze besser geeignet“, stellt André Tausche fest.
Polyurethane (PU) bieten grundsätzlich ein sehr breites und vielseitig modifizierbares Eigenschaftsspektrum. Das macht sie zu einer beliebten und in der industriellen Produktion häufig eingesetzten Stoffgruppe. Weiterhin zeichnen sich PU-Vergussmassen durch eine gute maschinelle Verarbeitbarkeit, einen geringen Volumenschrumpf sowie eine moderate Beweglichkeit nach der Aushärtung aus. Polyurethane sind allerdings sehr empfindlich gegen Feuchtigkeit und müssen deshalb adäquat gelagert und vor dem Verguss unter Vakuum aufbereitet werden.
Im Vergleich dazu zeichnen sich Epoxidharze durch eine gute Temperaturstandfestigkeit, eine geringe Brennbarkeit und hohe Glühdrahtbeständigkeit aus. Durch ihre hohe Härte, ihren hohen E-Modul und die gute mechanische Stabilität in ausgehärtetem Zustand eignen sich diese Vergussmaterialien zudem gut für Bauteile, die in anspruchsvollen Betriebsumgebungen eingesetzt werden.
Auch die geringe Feuchtigkeitsaufnahme sowie die hohe chemische Beständigkeit von Epoxid sind zentrale Eigenschaften für die vorliegende Anwendung.
Im Zuge verschiedener Tests erbrachte ein heißhärtendes 2K-Epoxidharz der Wevo-Chemie GmbH sehr gute Ergebnisse. Wevopox 8260 FL/Wevodur 1018 zeichnet sich vor allem durch eine hohe Dauertemperaturbeständigkeit und ein gutes Fließverhalten aus. Auch dank seiner hohen Härte, des guten Vernetzungsgrads sowie der geforderten geringen Wasseraufnahme eignet es sich optimal für den Verguss von Hochspannungskondensatoren. „Auf Wunsch von Herrn Tausche haben wir das Material nach den Tests modifiziert, um es noch genauer an die vorliegende Anwendung anzupassen und die Handhabung zu optimieren“, erklärt Andreas Arlt, Vertriebsingenieur bei Wevo-Chemie.
Seriennahe Lösung dank vorbereitender Dosierversuche
Auf der Suche nach einer geeigneten Vergussanlage wurde Ftcap schließlich in Neustadt/Donau fündig: „Wir kamen relativ schnell auf Scheugenpflug, da wir bereits mit einer Anlage der Firma arbeiten und mit dieser auch sehr zufrieden sind“, erklärt André Tausche. „Überzeugt hat uns auch die Tatsache, dass Scheugenpflug und Wevo-Chemie bereits ein Projekt mit einem sehr ähnlichen Material erfolgreich umgesetzt haben.“
Um die optimale Anlagentechnik für den geplanten Vergussprozess zu ermitteln, führte Scheugenpflug zusammen mit Experten von Ftcap und Wevo-Chemie vorbereitende Dosierversuche im hauseigenen Technologie- und Anwenderzentrum durch. „Solche Tests sind grundsätzlich zu empfehlen, wenn ein neuer Dosierprozess etabliert werden soll oder neues Material zum Einsatz kommt“, erläutert Sebastian Schmitt, Vertriebsmitarbeiter bei Scheugenpflug. „Zusammen mit einem Team aus Vergussexperten können hier bereits vor dem Serienhochlauf grundlegende Fragen geklärt werden – vom bestmöglichen Equipment bis hin zu den erreichbaren Taktzeiten.“
Im Zuge der Dosierversuche erzielte die Vakuumdosieranlage VDS U sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die erforderliche Blasenfreiheit sowie die Wiederholgenauigkeit des Vergusses. Das Universalsystem eignet sich insbesondere für die Serienproduktion mittlerer und großer Bauteile. Auch im Falle schwieriger Teilegeometrien oder komplexer Vergussprogramme ist die VDS U das System der Wahl. Die Anlage basiert auf den standardisierten Bausteinen des Scheugenpflug-Systembaukastens. Dieser orientiert sich an den Plattformstrategien der Automobilindustrie und bietet Anwendern höchste Flexibilität bei kurzen Lieferzeiten sowie eine attraktive Preisgestaltung. Auch im Falle sehr beengter Fertigungsumgebungen erlauben die modularen Bausteine eine für die jeweilige Anwendung maßgeschneiderte, bedarfsgerechte Anlagenplanung.
VDS U: Eine für alles
Da Kleinserien und Sonderanfertigungen einen bedeutenden Teil des Ftcap-Portfolios ausmachen, setzt das Unternehmen vorwiegend auf manuelle und teilautomatisierte Prozesse. „Wir konzentrieren uns eher auf die Nischen im Markt sowie auf kleinere und mittlere Serien. Eine vollautomatisierte Produktionsumgebung würde deshalb bei uns wenig Sinn machen. Wir setzen stattdessen auf Arbeitsplätze, die sich schnell und unkompliziert umbauen lassen“, erklärt André Tausche. „Wir brauchten vor allem eine Anlage, die uns vor diesem Hintergrund die notwendige Flexibilität bot. Mit der VDS U haben wir hier die richtige Entscheidung getroffen.“ Die Vakuumanlage eignet sich insbesondere für Anwendungen mit einer großen Bauteilvielfalt: Dank der 400 x 300 mm großen, verfahrbaren Palettenschublade können Teile mit den unterschiedlichsten Größen und Geometrien in einer Anlage vergossen werden. Die drei Verfahrachsen der VDS U erlauben zudem den Verguss mehrerer Bauteile in einem Durchgang. Das sorgt für kurze Zykluszeiten – bei gleichzeitig höchster Vergussqualität.
Flexibilität ist auch mit Blick auf die erforderlichen Vergussmengen gefragt: „Die Kondensatoren variieren oft sehr stark in Bezug auf ihre Größe und Form“, erklärt Sebastian Schmitt. „Die Qualität des Vergusses muss dabei natürlich gleichbleibend hoch sein – ob nun 2 g Material vergossen werden oder 100 g. Aber auch hier spielt die Anlage ihre Stärken aus.“ Für die Ausbringung exakter und reproduzierbarer Materialmengen sorgt der bewährte Dos P016-Kolbendosierer. Dieser deckt nicht nur ein breites Anforderungsspektrum ab, mit ihm lassen sich auch druck-, feuchtigkeits- oder scherempfindliche Vergussmedien schonend dosieren, ohne Veränderungen des Materials befürchten zu müssen. Um beim verwendeten Epoxidharz optimale Fließeigenschaften zu erreichen, wurde der Dos P016 zusätzlich mit einer Dosierkopf- und einer Mischrohrheizung ausgestattet. Diese erwärmen das Material kurz vor dem Verguss, reduzieren so seine Viskosität und sorgen auf diese Weise auch bei komplexen Geometrien für reproduzierbare und blasenfreie Vergussergebnisse.
Die Aufbereitung und Förderung des Epoxids zur Vergussanlage übernimmt die A310 von Scheugenpflug. Mit diesem System lassen sich größere Mengen an selbstnivellierenden Vergussmaterialien prozesssicher aufbereiten und fördern. Zudem verfügt diese Anlage über eine integrierte Vakuumfunktion, mit der sich Luftblasen im Medium bereits bei der Aufbereitung entfernen lassen. Dies ist wichtig, um beim späteren Vergussprozess Blasenfreiheit gewährleisten zu können. Durch Umwälzen und Zirkulieren wird einer Sedimentation der im Material enthaltenen Füllstoffe vorgebeugt. Hermetisch abgedichtete Materialleitungen, Pumpen und Ventile verhindern zudem die Wiedereinbringung von Luft während des Förderprozesses.
Zweistufige Aushärtung im Wärmeofen
Die zu vergießenden Kondensatoren werden bei Ftcap manuell in die Anlage eingebracht und die Vergusskammer bis auf einen Wert von 20 mbar evakuiert. Je nach Größe werden die Gehäuse der Hochspannungskondensatoren daraufhin in einem oder mehreren Schritten mit dem Epoxidharz gefüllt.
Gerade bei größeren Kondensatoren braucht es einen mehrstufigen Verguss, um die notwendige Blasenfreiheit zu gewährleisten. Dabei wird eine bestimmte Menge an Material unter Vakuum in das Gehäuse dosiert, so dass der darin befindliche Wickel gänzlich mit Vergussmedium bedeckt ist. Bei der anschließenden Belüftung der Vakuumkammer wird das Epoxid durch den Druckaufbau noch tiefer in vorhandene Winkel und Spalten gepresst. Nach einer ersten Aushärtung des Materials erfolgt schließlich der Auftrag einer finalen Deckschicht.
Dem Verguss schließt sich eine optische Prüfung der Bauteile durch den Anlagenbediener an. „Automatisiert lässt sich die Höhe des Vergusses in den Gehäusen nicht so leicht überprüfen, weil wir schon Toleranzen in der Filmdicke des Wickels haben“, erläutert André Tausche. „Die Materialschicht über dem Wickel sollte schon eine bestimmte Mindestdicke aufweisen. Grundsätzlich stellt eine leicht schwankende Füllhöhe für uns aber kein Problem dar.“ Bei der abschließenden Aushärtung im Wärmeofen wird das vergossene Epoxid über 2 Stunden bei 80 °C sowie über weitere 6 Stunden bei 110 °C vernetzt.
Fazit
Dank der intensiven Zusammenarbeit der drei Unternehmen als Endanwender konnte ein leistungsfähiger und präzise an die Anforderungen angepasster Vergussprozess realisiert werden. „Der neue Vakuumprozess hat sich für uns auf mehr als nur eine Weise gelohnt“, erklärt André Tausche. „Dank der ausgereiften Anlagentechnik können wir nun einen blasenfreien Verguss und somit höchste Qualität für unsere Kunden gewährleisten. Der automatisierte Vergussprozess erlaubt es uns zudem, auch höhere Stückzahlen problemlos zu bedienen. Das war vorher nicht möglich.“ Im Zuge des Projekts konnten die Experten von Scheugenpflug und Wevo-Chemie dem Kondensatorhersteller zudem umfangreiche Erfahrungswerte aus der Materialverarbeitung und Prozesstechnik an die Hand geben und Ftcap so nachhaltig beim Prozesshochlauf unterstützen. „Wir sind mit dem Ergebnis sehr zufrieden, die Zusammenarbeit hat super funktioniert“, so der Ftcap-Geschäftsführer. „Wenn weitere Projekte anstehen, wissen wir, an wen wir uns wenden.“
www.scheugenpflug.de; www.ftcap.de; www.wevo-chemie.de
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