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Displays & HMI Mehr als nur gut verpackt

13.08.2014

Geschwindigkeiten von bis zu 300 Stundenkilometern, Sog- und Luftdruck im Tunnelverkehr und extreme Umweltbedingungen im Außenbereich: In der Bahntechnik reichen Standardgehäuse für die sichere Verpackung von Elektronik oft nicht aus. Vielmehr verlangt der Einsatz im Zug, am Bahnhof und entlang der Schiene individuelles Electronic Packaging, das technische Funktionalität mit hoher Wirtschaftlichkeit verbindet.

Die technischen Anforderungen an die Gehäusetechnik im Schienenverkehr sind enorm. Um den starken Belastungen entlang der Schienen Stand zu halten, sind unter anderem druckfeste Steuerungsgehäuse für die Belüftung, feuersichere Überwachungssysteme für Not- und Fluchtwege und unterbrechungsfreie Funkverbindungen gefragt. Regen, Schnee und Eis fordern im Unterflurbereich von Zügen, zum Beispiel am Drehgestell, der Bremsanlage und der Kupplung, Schutzarten von IP56 bis 68. Im rollenden Einsatz in den Fahrzeugen selbst, wirken starke dynamische Kräfte auf die Systeme ein. Teilweise müssen die Gehäuse Vibrationsfestigkeiten von >5 bis 25 g verkraften und über eine dementsprechend sichere Befestigung verfügen.

Eine echte Herausforderung stellen auch stationäre Anwendungen im Outdoor-Bereich dar. Denn neben extremen Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen von -30 bis 80 °C, hoher Luftfeuchtigkeit und intensiver UV-Sonneneinstrahlung, besteht die Gefahr von Vandalismus. Doppelwandige CS(Closed System)-Gehäuse und Systeme in Sandwich-Bauweise leisten hier guten Schutz für die empfindliche Elektronik. Oft lässt sich die mutwillige Zerstörung schon im Vorfeld verhindern, zum Beispiel durch nicht sichtbare Verschraubungen.

Modular aufgebaute Gehäuselösungen

Ob im Fahrzeug, Bahnhof, Stellwerk oder entlang der Strecke – die unterschiedlichen Anforderungen verlangen individuelle Gehäuselösungen. „Der Aufwand für solche Komplettentwicklungen von Gehäusesystemen ist jedoch sehr hoch“, erklärt Bernd Knab, Leiter Konstruktion der Polyrack Tech-Group. „Deshalb haben wir schon früh auf modulare Systeme gesetzt, auf deren Basis wir kundenspezifische Wünsche kostengünstiger und schneller realisieren können.“ Gleichzeitig erfüllen die anpassbaren Komplettlösungen die gesetzlichen Richtlinien der EU, brandschutztechnische Anforderungen, Kriterien für statische und dynamische Belastungen sowie spezifische Vorgaben des Fahrzeugherstellers und der OEMs.

Eines der jüngsten und gelungensten Beispiele für eine solche geprüfte anwendungsspezifische Elektronikverpackung ist die 19-Zoll-Baugruppenträger-Serie Ferrorail von Polyrack. Der Baugruppenträger wurde konsequent für den Einsatz in Zügen und den hohen Anforderungen der französischen Bahn SNCF (Société Nationale des Chemins de fer Français) entwickelt. Die Basis von Ferrorail ist die Baugruppenträger-Generation Future. Sie entspricht den LES-DB-Standards der Deutschen Bahn sowie den französischen Bahnnormen. „In der Ferrorail-Serie bieten wir eine Vielzahl von Standardteilen an, die wir je nach Anforderungsprofil in den verschiedensten Konfigurationen zusammenstellen und aufrüsten können“, erläutert Knab.

Um den rüttelnden und stoßenden Belastungen im Schienenverkehr Stand zu halten, erfolgt grundsätzlich die doppelte Verschraubung der Profile zu den Seitenwänden. So kann sich das Gehäuse nicht selbstständig unter Vibration lösen und weist auch bei Erschütterungen, zum Beispiel bei unebenen Fahrbahnen oder Gleiswechsel, die nötige Steifigkeit auf.

Individueller Schutz für Panel-PCs

Ein weiteres modulares Standardprodukt ist die Neuentwicklung des Panel-PC 2. Entwickelt für Anzeige- und Bediensysteme und HMI(Human-Machine-Interface)/MMI(Man-Machine-Interface)-Anwendungen, findet er in unterschiedlichsten Bereichen rund um die Bahntechnik Verwendung – von interaktiven Infodisplays über Entertainmentsysteme in Zügen bis hin zu Anwendungen für die Weichen-, Signal- und Schrankensteuerungen. Durch eine neuartige Sandwichbauweise lässt sich ein einfacher und variabler Aufbau realisieren. Die robuste Gehäusekonstruktion ist bereits in der Grundausführung EMV-gerecht und lässt sich frontseitig bis Schutzart IP67 aufrüsten. Der Ausbau mit Motherboards nach ITX-Standard, Netzgerät und Ventilator ist möglich. „Die ganzheitliche Systemlösung bietet im Inneren des Gehäuses genügend Spielraum für die Integration elektronischer Bauteile“, beschreibt Knab das Konzept. „Das ist ein enormer Vorteil, da in Fahrzeugen das Platzangebot oft sehr begrenzt ist.“ Auf Wunsch übernimmt das Unternehmen die komplette Assemblierung des Systems, inklusive Software.

Robuste Gehäuse

Speziell für raue Umgebungen wie dem Schienenverkehr hat Polyrack die Gehäuseserie Castec konzipiert. Das hochbelastbare, versiegelte (IP/EMI/RFI)-Gehäuse besteht aus zwei Gehäuseschalen aus Aluminium-Druckguss und ist damit widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen. Zudem verfügt das Gehäuse über Schutzart IP65. Das dazu notwendige, innenliegende Dichtungsprofil ist in der oberen Gehäuseschale vertieft positioniert, sodass eine unbeabsichtigte Beschädigung nahezu unmöglich ist. Für die sichere Befestigung des Systems in Zügen und entlang der Schienen sorgen eine Montageplatte im Boden der unteren Hälfte sowie leicht montier- und nachrüstbare Montageflansche für die Wandmontage.

Mit dieser Auswahl an modularen Baukastensystemen für Bahnanwendungen ermöglicht der Hersteller funktionelle und flexible Packaging-Lösungen im kompakten Aufbau. Das Portfolio umfasst integrierte Lösungen für Einschub und Tischgehäuse, Backplanes und Microcomputer-Aufbausysteme (MPS) sowie kundenspezifische Lösungen. „Wir verfügen nicht nur über langjähriges Know-how in der Bahntechnik, sondern auch über sämtliche Technologien von der mechanischen Fertigung über die Systemtechnik, Elektronik und Kunststofftechnik bis hin zur Oberflächenbearbeitung. So können wir aus dem Vollen schöpfen, um die Anforderungen hinsichtlich Kühlung, EMV-Schutz und Robustheit zu erfüllen. Kein Design, kein Material und kein Herstellungsverfahren sind von vornherein ausgeschlossen“, versichert Knab. Häufig kommen Metallkonstruktionen wie Stahlblech (lackiert), Aluminium-Zink-Beschichtung aber auch Edelstahl zum Einsatz. Diese Gehäuse sind nicht nur robust, sondern garantieren auch eine hohe elektromagentische Abschirmung (EMV). Ihr inhärenter Schutz vor feldgebundenen Störungen und elektrostatischer Entladung (ESD) verhindert Störungen in der Kommunikation zu Bahnhöfen, Leitstellen und anderen stationären oder mobilen Einheiten.

Vorteil Kunststoff

„Es gibt auch Gehäuselösungen aus Hochleistungskunststoffen, die diese Anforderungen erfüllen – und das bei niedrigeren Kosten“, verrät Knab. „Je nach Verwendung fügen wir diesen Kunststoffen Additive wie Glasfasern oder Glaskugeln für eine verbesserte Festigkeit oder spezielle Stabilisatoren und Flammschutzmittel zu.“ Für die Ver- und Bearbeitung stehen eine ganze Reihe an Verfahren zur Auswahl: vom Spritzgießen, Schäumen, Bedrucken, Lackieren, Fräsen bis hin zum Ultraschallschweißen.

Durch die Oberflächenbearbeitungen mit ESD-Antistatikschichten, EMV-Leitlacke oder leitfähige Acrylbeschichtungen garantieren die Kunststofflösungen einen sicheren Schutz gegen elektromagnetische Strahlungen. Kontaktmaterialien wie Federdichtungen aus Edelstahl lassen sich zwischen den einzelnen Bauteilen wie Seiten-, Deck- und Bodenteile einfügen. EMV-Textildichtungen werden in den Frontplatten von Steckbaugruppen eingesetzt.

Weiterer Vorteil der Kunststofflösungen: In Formgebung, Farbe, Oberflächenfinish, Lackierung und Druck eröffnen sie mehr Gestaltungsspielräume als Metallkonstruktionen. So lassen sich ganz individuelle Gehäuse mit Wiedererkennungswert in größeren Stückzahlen fertigen. Als Finish stehen dem Kunden unterschiedliche Beschichtungen und Lackierungen von 2K-Lack, UV-beständige Lackierungen bis hin zu Antigraffiti-Lack zur Auswahl. „Haptik und Design spielen vor allem im öffentlich zugänglichen Bereich eine immer wichtigere Rolle“, hebt Knab hervor. „So erhöht ein modernes und freigestaltbares Gehäusedesign den Bedienkomfort der Fahrgäste. Auskunftssysteme aber auch Notrufschalter in auffallenden Farben und speziellem Design lassen sich auf großen Bahnhöfen schnell und einfach finden.“

Die richtige Kühlstrategie

Neben der Vibrations- und Schockfestigkeit und der EMV-Abschirmung entscheidet auch ein smartes Wärmemanagement über den sicheren Betrieb von Steuerungen, Fahrzeugen und IT-Technik. Für eine spezielle Gehäuselösung entwickelte Polyrack das so genannte „Virtuelle Conductive Cooling“. Sowohl die Innen- als auch die Außenseite des Gehäuses sind mit Kühlrippen ausgestattet, wobei die innen liegenden Rippen die erzeugte Wärme aufnehmen und über die Außenrippen an die Umgebungsluft abgeben. Im VPX-Gehäusekonzept Rugtec für Ruggedized-Gehäuse kommt diese Kühltechnik standardmäßig zum Einsatz. „Welche Kühlstrategie für welche Applikation am besten geeignet ist, hängt von den individuellen Rahmenbedingungen ab“, erklärt Knab. „Bei bereits fertig entworfener und evaluierter Elektronik sind Standardlösungen wie zusätzliche Lüfter, Kühlkörper oder Heatpipes eine durchaus sinnvolle Lösung. Als Faustregel gilt allerdings: Je früher wir als Hersteller von Gehäusen in die Entwicklung einbezogen werden, desto einfacher und kosteneffizienter geht es.“ Aus diesem Grund unterstützt der Hersteller seine Kunden auf dem gesamten Weg von der Idee bis zum Produkt und mit unterschiedlichsten Services im Anschluss.

Bildergalerie

  • Panel-PCs für das Packaging von Fahrkartenautomaten und anderen Human-Machine- oder Man-Machine-Interface-Anwendungen

    Bild: Polyrack Tech-Group

  • Im robusten Gehäusekonzept Rugtec ist ein klassischer Kühlkörper mit einer eigenentwickelten virtuellen Kontaktkühlung kombiniert.

    Bild: Polyrack Tech-Group

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