Raue Bedingungen: Automobilelektronik ist hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt, die etwa im Kontakt mit kaltem Spritzwasser entstehen.

Bild: W. L. Gore & Associates

Automobilelektronik Schützende Membranen für Fahrzeugkomponenten

28.04.2014

Elektronische Komponenten übernehmen immer mehr Funktionen im Fahrzeug. Umso wichtiger ist es, dass sie trotz Temperaturschwankungen und rauer Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren. Eine Membran schützt vor Schmutz und Flüssigkeiten und lässt gleichzeitig das Elektronikgehäuse „atmen“.

Die Anzahl elektronischer Bauteile im Fahrzeug steigt rasant an – sei es durch die zunehmende Elektrifizierung mechanischer Komponenten oder durch den verstärkten Einsatz von Fahrerassistenzsystemen. Steuergeräte, Sensoren oder Motoren sind dabei starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, die beispielsweise dadurch entstehen, dass die im Betrieb erhitzten Gehäuse mit kaltem Spritzwasser auf der Straße oder in der Waschanlage in Berührung kommen. Temperaturschwankungen können zu starkem Über- oder Unterdruck in den Elektronikgehäusen führen, die Dichtungen und Dichtelemente so stark beanspruchen, dass Schmutzpartikel und Flüssigkeiten in die sensible Elektronik eindringen, diese korrodieren und die Lebensdauer des Bauteils verkürzen. Beschädigte oder defekte Komponenten müssen in der Regel ausgetauscht werden, wodurch bei Automobilherstellern und -zulieferern hohe Garantie- und Reparaturkosten entstehen. Die große Herausforderung ist nun, Elektronikkomponenten vor dem Eindringen von Schmutz und Flüssigkeiten zu schützen und gleichzeitig „atmen“ zu lassen.

Eine besonders große Herausforderung stellt das Thermomanagement von großen Batterien und flüssig gekühlter Hochleistungselektronik dar. Vor allem durch die Flüssigkeitskühlung sind die Temperaturunterschiede bereits in der Elek­tronikeinheit so hoch, dass sich an der kältesten Stelle Kondensat bilden kann. Dies führt möglicherweise zu Korrosion oder zu einem Kurzschluss. Bei großen Batteriegehäusen nimmt diese Problematik eine Dimension an, die ohne effektive Maßnahmen zum Temperatur- und Druckausgleich kaum zu lösen ist. Denn aufgrund der Größe wirkt schon bei geringen Temperaturunterschieden ein so hoher Druck auf das Gehäuse, dass es deformiert und zerstört werden kann. Die Fahrt aus der warmen Garage in die kühle Winterluft erzeugt unter Umständen ein Vakuum im Inneren, das mit einer Last von bis zu 500 kg auf einer Fläche von einem Quadratmeter wirkt. Einer solchen Druckspitze hält ein in Leichtbauweise ausgelegtes Gehäuse kaum stand.

Auch bei der Fahrzeugbeleuchtung stellt die Kondensation durch Temperatur- und Druckunterschiede ein großes Problem dar. Um eine zuverlässige, klare Sicht sicherzustellen, müssen Scheinwerfer vor Staub, Schmutz, Ablagerungen, Wasser und Kondensation geschützt werden. Doch vor allem in LED-Scheinwerfern, die im Premiumsegment zunehmend die herkömmlichen Xenon- und Halogen-Scheinwerfer ablösen, führen bereits wenige Tropfen Flüssigkeit zu erheblicher Kondensation. Eine LED-Leuchte gibt die durch den Betrieb entstandene Wärme zumeist nach hinten und nicht – wie eine Halogen- oder Xenon-Leuchte – nach vorne zur Scheibe ab. Dadurch ist es vorne an der Streuscheibe so kalt, dass Kondensation auftreten und die Klarheit der Scheibe beeinträchtigen kann. Dies kann zu Kundenreklamationen und Garantieansprüchen führen. Es ist daher verständlich, dass Scheinwerferhersteller nach Lösungen suchen, um Gewährleistungsfälle und Imageschäden zu vermeiden.

Luft- und Druckausgleich sicherstellen

OEMs können auf Druckunterschiede und Kondensationsprobleme in Leuchten auf unterschiedliche Weise reagieren: Um in Scheinwerfern einen Luftausgleich zu realisieren, werden teilweise offene Systeme eingesetzt, die zwar gut den Druck ausgleichen und Kondensation reduzieren, aber das Scheinwerfer-Gehäuse nicht vor eintretenden Staubpartikeln schützen, die sich vorne an der Streuscheibe ansammeln. Im Premiumsegment, wo zunehmend teure LED-Leuchten eingesetzt werden, sind Scheinwerferhersteller und OEMs allerdings auf Druckausgleichslösungen angewiesen, die gleichzeitig vor Verschmutzung schützen, um Garantiefälle und Imageschäden zu vermeiden. Eine Lösung ist eine Belüftungsmembran, die den Luftaustausch im Leuchtengehäuse ermöglicht. So wird Druck kontinuierlich ausgeglichen, Wasserdampf kann entweichen und Kondensation minimiert werden. Gleichzeitig verhindert eine feinporige Membran, dass Wasser, Schmutz und Insekten eindringen.

Um Elektronikeinheiten vor Druckunterschieden bei Temperaturwechsel, eindringendem Schmutz und Flüssigkeiten zu schützen, werden sie zum Teil in das Gehäuse eingegossen. Auf diese Weise entsteht zwar ein dichtes System, das aber mit einer nicht unerheblichen Gewichtszunahme einhergeht und bei einem Defekt nicht geöffnet und repariert werden kann. Hermetisch abgedichtete Systeme können auch durch die Verwendung hochwertiger Dichtungen und dicker Gehäusewände erreicht werden. Die Nachteile einer solchen Lösung: Die Komponenten sind teurer und unnötig schwer. Wesentlich sinnvoller und weit verbreitet ist auch hier der Einsatz einer Membran, die in einem geschlossenen Gehäuse für Luftausgleich sorgt und gleichzeitig verhindert, dass Flüssigkeiten und Schmutzpartikel eindringen.

Je nach Anwendung – in Steuergeräten, Motoren, Sensoren, Batterien, in Halogen-, Xenon- und LED-Scheinwerfern – muss eine Membran unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Die wichtigsten Charakteristika einer Membran sind Luftdurchsatz (Airflow) und Wassereintrittsdruck (Water Entry Pressure). Der Luftdurchsatz gibt an, wie viel Luft in einer bestimmten Zeit und bei einem bestimmten Differenzdruck die Membran passiert. Damit wird die Zeit definiert, in der ein Über- oder Unterdruck ausgeglichen werden kann. Der Wassereintrittsdruck ist der hydrostatische Druck, dem die Membran mindestens standhalten muss, bevor eine Leckage entsteht. Beide Kenngrößen sind unter anderem von der Porengröße der Membran abhängig. Aufgabe der Membran-Anbieter ist es, für jede Belüftungsanwendung die optimale Balance zwischen Airflow und Water Entry Pressure zu finden.

Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit

Da die elektronischen Komponenten zumeist im Motorraum und am Antriebsstrang verbaut sind, müssen die hier eingesetzten Belüftungselemente gegenüber Chemikalien, großer Hitze und extremen Witterungsbedingungen beständig sein. Ein Material, das sich durch seine Mikrostruktur für Belüftungsanwendungen auszeichnet, ist expandiertes Poly­tetrafluorethylen (ePTFE). Aufgrund der geringen Menge freier Oberflächenenergie verfügt ePTFE über ausgezeichnete hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaften, sodass Wasser, das auf der Oberfläche Tropfen bildet, die Membranstruktur nicht durchdringen kann. Für Anwendungen im Automotive-Bereich sollte die Membran auch über oleophobe (ölabweisende) Eigenschaften verfügen, da hier die Wahrscheinlichkeit sehr groß ist, dass Bauteile mit Motorenöl, Reinigungsmitteln oder anderen Kfz-Flüssigkeiten in Berührung kommen. Diese Eigenschaft kann allerdings nur durch eine weitere Veredelung der Membran erzielt werden. Ein weiterer Vorteil von ePTFE ist die äußerst hohe Temperaturbeständigkeit in einem Bereich von -150 °C bis 240 °C – eine Eigenschaft, die sich vor allem vor dem Hintergrund des Trends als wichtig erweist, Motoren bei gleicher oder zunehmender Leistung weiter zu verkleiden. Denn dadurch wird die Temperatur von 125 °C, auf die elektronische Gehäuse im Motorraum bislang häufig ausgelegt waren, meist überschritten. 150 °C und mehr sind keine Seltenheit mehr.

Um alle möglichen Anwendungsbereiche abzudecken, bieten Hersteller selbstklebende und verschweißbare Belüftungselemente sowie Kunststoff-Formteile mit integrierter Membran an, die ihre Stärken in unterschiedlichen Anwendungsbereichen ausspielen: Eine selbstklebende Membran lässt sich unkompliziert manuell und maschinell aufbringen. Dem eingesetzten Haftkleber sind allerdings gegenüber extrem hohen Temperaturen und anspruchsvollen Chemikalien Grenzen gesetzt. Eine sehr hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit weisen verschweißbare Elemente auf, die allerdings vom Automobilzulieferer selbst in einem komplizierten Schweißverfahren auf dem Gehäuse befestigt werden müssen. Eine komfortable und effektive Lösung, die sowohl anspruchsvollen Umgebungsbedingungen standhält als auch einfach in der Integration ist, bieten Belüftungselemente zum Einschnappen. Sie müssen einfach nur in die Gehäuseöffnung eingeklipst werden (Plug & Play). Angesichts der vielen unterschiedlichen Anwendungs- und Umgebungsbedingungen ist entscheidend, dass Membran-Hersteller mit Automobilzulieferern und -herstellern die individuell passende Membran-Lösung für die jeweilige Applikation auswählen.

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