LEONI Wiring Systems - westfalenhallen.de · PBT backside of the injection point PBT injection point direction PBT under jacket Einflüsse Spritzprozess ... Besonders die Vorbehandlung

LEONI Wiring Systems

Umspritzung von biegeschlaffen Kabeln für dichte Anwendungen im

Automobilbereich

The Quality Connection

Dipl.-Ing. (FH) Daniel Reiter, LEONI Bordnetz-Systeme GmbH, Kitzingen

R+D Electromechanics, Daniel Reiter, Juli 2012

3. Innovationsforum "Verfahrensintegration" am 04. + 05. Juli 2012

16. Jh. Französische Handwerker aus der

Umgebung von Lyon erfinden die

Kunst des Drahtziehens für

dekorative Kostüme. Produkte aus

Lyon -> leonische Waren

1569 Anthoni Fournier zieht nach Nürnberg

und eröffnet die erste Drahtzieherei

1917 Leonische Drahtwerke AG entsteht als

Zusammenschluss mehrerer Firmen

1928 Ummantelte Kupferdrähte

1956 Automobil-Kabelsätze

1977 erster Auslandsstandort Tunesien

1999 LEONI AG - Systemlieferant für

Bordnetze - weltweite Präsenz

2008 Akquisition Valeo Connection System

http://lisa/Holding/Mkt/Bilddatenbank Januar 2006 neu/Kabel/Automotive & Standard Cables/Imagebilder u. Grafiken/slides/002767.jpg.html



LEONI Group Umsatzentwicklung

3

Corporate Presentation February

2012

in million €



4

Wire & Cable Solutions Wiring Systems

Umsatz: 1,68 Mrd. € **

Beschäftigte: 7,900 *

Märkte: Automobile & Nutzfahrzeuge

Industrie & Gesundheitswesen

Kommunikation & Infrastruktur

Haus- & Elektrogeräte

Drähte & Litzen

Umsatz: 2,02 Mrd. € **

Beschäftigte: 52,600 *

Märkte: Automobile & Nutzfahrzeuge

– Pkw

– Nutzfahrzeuge

– Automobilzulieferindustrie

*Stand: Dezember 2011

LEONI-Gruppe

Konzernumsatz: 3,70 Mrd.€, Beschäftigte: > 60.000* weltweit

** Einzelwerte können rundungsbedingt von der Summe abweichen



Wiring Systems · Standorte

5

Ägypten

Deutschland

Frankreich

Italien

Marokko

Polen

Rumänien

Russland

Serbien

Slowakei

Tunesien

UK

Ukraine

Ungarn

China

Indien

Südkorea

F&E Center

Produktionsstandorte

Brasilien

Mexiko

USA



Kabelsätze

und komplette Bordnetz-Systeme

für Pkw (alle Segmente)

für Nutzfahrzeuge

für die Zulieferindustrie

6 6



Wiring Systems · Full-Service-Anbieter

7

Vom Design … … bis zu integrierten

Bordnetz-Systemen.

… über elektronische

Systemkomponenten …



8

Technische Daten eines Bordnetz-Systems

Leitungslänge: mehr als 3 km

Anzahl Einzelleitungen: bis zu 1.500

Anzahl Kontakte: bis zu 3.000

Gewicht: bis zu 50 kg



Topologie eines Body- und Engine-Harness

9



Bestandteile eines Kabelsatzes

oLeitungen (Leiter: >50 Gew.-%)

oMontierte Stecker

oKabelkanäle / Bandierung

oSicherungs- und Relaisboxen

oUmspritzte Kabel und Kontakte

ogedichtete Durchführungen

10



Umschäumung (PUR)

Kabelbündel

Temperatur

Dichtigkeit

Medienbeständigkeit

Manipulations-Schutz

mechanische Stabilität

Leitungsanzahl

Umspritzung

Mantelleitung

Technologie-

Auswahl

Prozessbelastungen



Umschäumung (PUR)

Kabelbündel

Umspritzung

Mantelleitung

Technologie-

Auswahl

Vernetzender, reaktiver Kunststoff

- gleichbleibende Eigenschaften im Temp.bereich

- Materialien bis ca. 150°C

• Thermoplastischer Kunststoff

- teilkristalline Kunststoff-Eigenschaften

- HT-Kunststoffe verarbeitbar

Hohe Zykluszeit Geringe Zykluszeit

Geringe Verarbeitungstemperaturen Hohe Verarbeitungstemperaturen

Geringe Kavitätsdrücke Hohe Kavitätsdrücke

Geringe Materialvielfalt Hohe Materialvielfalt

Schneller Werkzeugwechsel, langsamer Materialwechsel Langsamer Werkzeugwechsel, schneller Materialwechsel



13

Umschäumung

PUR PUR +

EPDM

PUR +

Thermoplastic

Dichtigkeit im Kabel-Bündel Dichtigkeit im Kabel-Bündel Dichtigkeit im Kabel-Bündel

komplexe Kabelsatzführung aufwendige Kabelsatzführung komplexe Kabelsatzführung

Konturdichtung für ein Kabelbündel Konturdichtung für mehrere Kabelbündel Konturdichtung für mehrere

Kabelbündel

einfache Konturabdichtung Abdichtung zu aufwendigeren Konturen Abdichtung zu komplexesten

Konturen

höherer Montageaufwand Geringerer Montageaufwand Höherer Montageaufwand

Geringe Komplexität Höhere Komplexität Höchste Komplexität



14

konventioneller

Kabelsatz

Umschäumter

Kabelsatz

Definierte Kabelführung

Einfache Montage

Optimaler Kabelschutz



Umspritzung

Stecker Sensoren Leitungsend-

verschlüsse

Kabeldurch-

führungen



3 separate Kunststoff-Bauteile

Einfache Montage

Hohe Produktsicherheit

Hohe Vibrationsstabilität

Hohe Temperaturbeständigkeit

7 separate Kunststoff-Bauteile

filigrane Montage

Geringe Produktsicherheit

Montierte Lösung Umspritzte Lösung

Technologie-

Auswahl



Anwendungsbereiche gedichteter Kabeldurchführungen:

Unterboden

T: 85°C

C: Wasser

M: Steinschlag Fahrwerk

T: >200°C (Bremsen)

C: Wasser, Bremsflüssigkeit

M: sehr hohe Vibrationen

Motorraum

T: 150°C

C: Wasser, Motoröl

M: Vibrationen

Legende: Belastungen: T = Temperatur, C = Chemikalien, M = Mechanisch



2K-Spritzguss vs. Umspritzen von Kabel

Prozess-Schritte:

Dreh-,Umsetz-Werkzeuge

1 Gehäuse spritzen hart

Dichtung anspritzen weich 2

Prozess-Schritte:

getrennte Fertigung

1 Kabel Extrusion weich

Umspritzen hart 2



Ishikawa für mediendichte Kabelumspritzung

z.B. Sauberkeit

z.B. Meßmethode



Schrumpfung

Besondere, relevante Eigenschaften der Kabel

Sauberkeit

Kabelunterbau

Dimensionen

Wärmeausdehnung

Wärmedruck-

beständigkeit

Material

Kunststoff



Kabel-Eigenschaft - Schrumpfung

Durch die Produktion des Kabels im Extrusionsprozess kommt es häufig zum Einfrieren

von Orientierungen. Die Kabel werden dabei mit hohen Geschwindigkeiten (50-250 m/min)

gefahren und schnell abgekühlt.

5 6

9 7

8 4 3

2

1

10 11

12 13 14

1. PAYOFF 2. METERING CAPSTAN 3. EXTRUDER I 4. EXTRUDER II 5. SPLICEBOX 6. TUBE, 220 °C, 24 bar 7. SIGHTGLASSES

8. TUBE, 220 °C, 24 bar 9. WATER LVL.CTRL. 10. DUAL WATER SEAL 11. MAIN CATERPILLAR 12. COOLING TROUGH 13. CATERPILLAR 14. TAKE-UP

Continuously Vulcanization

Dampfdruckanlage



Zeit / min

Au

sle

nk

un

g /

%

Zeit / min

Aus

lenk

ung

/ %

Bei vielen Kabeln zeigt sich beim erstmaligen Erwärmen nach der Produktion eine

Schrumpfung, die axial und radial unterschiedlich ausfällt.

radial axial

130°C

70°C 130°C

Kabel-Eigenschaft - Schrumpfung



Kabel-Eigenschaft - Wärmeausdehnung

Die lineare Wärmeausdehnung ist signifikant unterschiedlich bei Kunststoffen und

erheblich relevant für einen mediendichten Umspritzverbund.

FPM

TPU

Polyester vernetzt

Häufig werden Kabel mit faserverstärkten Kunststoffen umspritzt, die eine

abweichende, anisotrope Wärmeausdehnung besitzen.

Beispiele:

FPM 250 •10-6/K

TPU 25 •10-6/K

PA6 GF30

quer: 65 •10-6/K

längs: 25 •10-6/K



Kabel-Eigenschaft: Verhalten in Wärme beim Umspritzen

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Temperatur [°C]

Ke

rbk

raft

[N

]

TPU FPM X-PE (FR) X-PE (FRNC)

Die Erweichung des Kabels kann mit dem Test der Kerbkraft (DIN VDE 0472 Teil 619)

überprüft werden.

Es zeigt sich, dass auch vernetzte Kunststoffe weich werden, jedoch immer eine

Reststabilität behalten die das Umspritzen erleichtert.



25

Maschinentechnologie Umspritzen

- Meist Handeinlage der Kabel in das Umspritzwerkzeug bzw. Aufnahmen

- Horizontale oder Vertikale Spritzgussmaschinen möglich

- Bei horizontalen Spritzguss-Systemen: Zwischenpuffer für die Aufnahmen

- Bei vertikalen Spritzguss-Systemen: Schiebetisch-Systeme

- Für Niederdruckanlagen ähnliche Aufbauten verfügbar



Werkzeug-Anforderungen: Kabelklemmung

- Abdichten des Kabels gegen die Schmelze

- kein axiales Verschieben des Kabel beim Einspritzen

- Kein Verquetschen der Kabeloberfläche

- Abdrückbereich

- Rippenstruktur

- Entgraten der

Werkzeugtrennung thermische Trennung durch

zweiten Kühlkreislauf im

Werkzeug

Verquetschungen

Kabelschiebung



Werkzeug-Anforderung: Kabelführung in der Kavität

- Kabel nicht auf die Oberfläche gedrückt wird durch die Schmelze

- kein durchhängen des Kabels aufgrund der Erwärmung

Ausreichend Stützpunkte

in der Kavität

Ausreichend Zugspannung

auf dem Kabel

lineare Führung des

Kabels zwischen den

Stützpunkten in der

Kavität

kein direktes

Anspritzen des Kabels

Ausreichend Abstand

von der Kavitätswand



Für eine optimale Ausprägung des dickwandigen Bauteils ist ein hoher

Druck in der Kavität notwendig.

Musterleitung - verschiedene Parameter

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Zeit in sek.

Dru

ck in

bar

900 bar, 4ccm/s 1100 bar, 4 ccm/s 1100 bar, 5 ccm/s

Einflüsse Spritzprozess – Druckverlauf in der Kavität

L

L

2

Die optimale Anschnittposition ist somit mit gleich weitem Fließweg zu

allen Kabelaustritten in einem dickwandigen Bereich zu wählen.



Für eine optimale Haftung soll die Kontakttemperatur der Schmelze ca.

50°C über der Schmelztemperatur des Kabelmantelmaterials liegen.

Einflüsse Spritzprozess – Temperatur Verbundebene

Nur angussnah wird ausreichend lange eine hohe Schmelzetemperatur

erreicht um eine haftende Verbindung zu erreichen.

SN1 SN2

Injection Point SN3

SN4

SN5 SN6



Eine Realmessung in der Kavität zeigt, dass die Kontakttemperatur nahe

der Werkzeugwand schnell sinkt.

Temperature in Cavity

100

120

140

160

180

200

220

0 50 100 150 200 250Time [s]

Te

mp

era

ture

[°C

]

PBT backside of the injection point PBT injection point direction PBT under jacket


Es zeigt sich, dass für ausreichende Haftung auch die Umspritzwandstärke

relevant ist.

Kabeloberfläche dickvolumige Seite

Kabeloberfläche nah Kavitätswand

Kabel unter dem Mantel



Der Einfluss der Umspritztemperatur hängt nicht nur von dem

Kabelmaterial ab sondern auch vom Umspritzmaterial.


Es zeigt sich, dass es keine generellen Annahmen zur

Haftungsverbesserungen gibt, die für alle Materialkombinationen gelten.

X-PER X-PER



Cable 3

untreated Plasma

Pu

ll-o

ut

forc

e

OvermoldingMaterial 2

OvermoldingMaterial 1

Cable 2

untreated pre-heat Plasma

Pu

ll-o

ut

forc

e

OvermoldingMaterial 2OvermoldingMaterial 1

- Eine Vorbehandlung der Kabeloberfläche führt nicht bei jedem

Kabelmaterial zur Verbesserung der Haftung.

- ein Vorwärmen des Kabels kann die Haftung sinifikant verbessern.

Einflüsse Vorbehandlungsmethoden

Besonders die Vorbehandlung mit Plasma und Corona ist bei der

Kabelumspritzung kaum prozesssicher anwendbar.



- Dichtigkeit in der Luft-Differenzdruck-Methode zeigt einen Einfluss

der Massetemperatur auf die Dichtigkeit

Einflüsse Spritzprozess – Massetemperatur

Die maximale Abzugskraft gibt keine Aussage über die Dichtigkeit.

Kabel: TPC-ES Umspritzung: PBT

Variation Prüflingsnummer Einheit

Massetemp Nachdruck 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

240°C

250 bar GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL mm³/s


450 bar GL GL GL GL GL GL 125 188 GL GL mm³/s

255 °C

250 bar GL GL 12,6 0,28 GL GL GL GL 0,29 0,36 mm³/s

350 bar 0,34 GL 1,42 15,9 GL GL GL GL 0,36 GL mm³/s

450 bar 0,3 0,32 22,3 GL 150 0,27 GL 0,33 GL GL mm³/s

270 °C

250 bar 0,3 0,32 2,1 0,27 1,42 0,27 0,23 0,33 0,35 0,29 mm³/s

350 bar 0,34 0,29 3,13 0,31 2,51 1,21 0,29 0,34 0,37 0,4 mm³/s

450 bar 0,33 0,35 0,35 0,43 0,38 0,28 2,11 0,32 0,3 0,29 mm³/s

Kabel: TPC-ES Umspritzung: PA 66



280 °C




290 °C




300 °C




Kabel: TPC-ES Umspritzung: PBT



240°C



450 bar GL GL GL GL GL GL 125 188 GL GL mm³/s

255 °C

250 bar GL GL 12,6 0,28 GL GL GL GL 0,29 0,36 mm³/s

350 bar 0,34 GL 1,42 15,9 GL GL GL GL 0,36 GL mm³/s

450 bar 0,3 0,32 22,3 GL 150 0,27 GL 0,33 GL GL mm³/s

270 °C

250 bar 0,3 0,32 2,1 0,27 1,42 0,27 0,23 0,33 0,35 0,29 mm³/s

350 bar 0,34 0,29 3,13 0,31 2,51 1,21 0,29 0,34 0,37 0,4 mm³/s

450 bar 0,33 0,35 0,35 0,43 0,38 0,28 2,11 0,32 0,3 0,29 mm³/s

Kabel: TPC-ES Umspritzung: PA 66



280 °C




290 °C




300 °C






Hybrid-Bauteilstressung (Hochtemperatur+Medien)

- bei allen Materialkombinationen sehr ähnliche Dichtigkeiten

- Teile fallen ohne Vorwarnung aus

- Dichtigkeitsmessung zur Vorhersage der Lebendauer ungeeignet

Dichtigkeit umspritzte Leitung

(Öllagerung bei 150°C)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

250 500 750 1000

Lagerungsdauer (h)

Lec

kag

erat

e (c

mm

/s)



Entwicklungs-Tools: Spritzguss-Simulation

- Volle 3D-Spritzprozess-Simulation

- Vorhersage von Temperaturen und Drücken am Kabel

- Vorhersage von Lunker Wahrscheinlichkeit

- Vorhersage des Verzugs auch bei dickwandigen Bauteilen

- Definition des optimalen Anspritzpunktes



Entwicklungs-Tools: CT-Analyse

- Darstellung von Dichtigkeitsunterschieden

- Ermittlung von zusammenhängenden Lunkern und deren Größe

- Ermittlung von Bauteilabweichungen im 3D

- Zerstörungsfreie Untersuchung



Fazit

- steigende Anforderungen lassen sich häufig nur durch umspritzte anstatt

montierte Produkte lösen

- Kabelumspritzungen verfügen über einen hohen Manipulationsschutz

- Kabelumspritz-Anwendung im automotiven Einsatz sind hochbelastete

Spezialanwendungen (Vergleich Schuko-Stecker)

- für eine dauerhaft mediendichte Verbindung müssen die Eigenschaften und

relevanten Effekte der Materialkombination untersucht werden

- auch das Design, sowie der Prozess ist entscheidend für eine dauerhaft

mediendichte Verbindung.

- die Analyse der Lebensdauer muss genau geplant werden.

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