Vor allem in der Elektrotechnik können selbst kleinste Metallspäne oder Staub funktionsrelevante Baugruppen beeinträchtigen. Umso wichtiger ist eine eingehende Feinreinigung essenzieller Komponenten, darunter komplexe Verbindungselemente für Batteriepacks in E-Autos. Mit mehreren tausend Zellen, mechanischen und elektronischen Komponenten kommen Batteriepacks für E-Autos je nach Kapazität auf bis zu 10.000 Einzelteile. Bei dem ohnehin aufwändigen Konstruktionsprozess darf es weder an Präzision noch Sauberkeit fehlen: Landen Fasern, metallische oder abrasive Partikel auf kritischen Stellen wie Dichtungen oder elektrischen Kontakten, steht die Funktionstüchtigkeit der Batterien auf dem Spiel. Fremdkörper können unter anderem Dichtungen beeinträchtigen und zu Leckagen führen. Bei Batteriegehäusen erweist sich dies als besonders kritisch, da sie gegen Wasser hermetisch abgedichtet sein müssen, um Systemausfälle zu vermeiden. Kommen Partikel wiederum mit Kontaktstellen in Berührung, können sie Kurzschlüsse von Kontakten in der Steuerungselektronik verursachen und damit Störungen begünstigen.

Hohe Anforderungen an Sauberkeit

 Damit es nicht so weit kommt, müssen Hersteller von E-Fahrzeugen und Zulieferer möglichst partikelarm arbeiten. Organisationen wie der Industrieverbund TecSa (Technische Sauberkeit) und der Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie (ZVEI) haben dazu die sogenannte Technische Sauberkeit in entsprechenden Leitfäden definiert. Als technisch sauber gilt ein Bauteil, wenn es keine funktions- oder prozessbeeinträchtigenden Partikel aufweist. Hersteller müssen dazu auf eine Sauberfertigung in speziellen Räumen und gegebenenfalls auf dezidierte Prüfmethoden zurückgreifen, wie sie beispielsweise der Verband der Automobilindustrie (VDA) in entsprechenden Regelwerken festlegt, darunter das zweibändige „Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie“ (VDA 19.1 und VDA 19.2).

Dieses setzt einheitliche Standards hinsichtlich Extraktion, Analyse und Dokumentation fest, um ein harmonisiertes Vorgehen bei der Sauberkeitsprüfung zu gewährleisten. Letztere müssen Hersteller immer dann durchführen, wenn kritische Baugruppen oder -teile es erfordern. Insbesondere Sensoren, Ölleitungen, Leiterbahnen und damit in Kontakt stehende Verbindungselemente können eine solche Analyse erforderlich machen, um die Integrität von Batteriepacks zu gewährleisten.

Verbindungselemente im Fokus

 Da komplexe Verbindungselemente bei den Batteriepacks von E-Autos eine im Wortsinn tragende Rolle spielen, stehen diese Komponenten besonders im Fokus: Einpressschrauben, Inserts und Winkel tragen wesentlich zu stabilen wie sicheren Batteriepacks bei, fixieren Abdeckungen und den Batteriepack im Fahrzeuginneren.

Damit die Fügelösungen selbst nicht zum Sicherheitsrisiko werden, unterziehen Hersteller wie Arnold Umformtechnik sie einer Analyse und anschließenden akribischen Feinreinigung, um Partikel zu beseitigen – vor allem dann, wenn Sauberkeitsanforderungen dies verlangen. Besonders kritische Teile kommen ohne solche Vorgaben nicht aus. Diese variieren jedoch von Hersteller zu Hersteller und umfassen unterschiedliche Grenzwerte hinsichtlich Anzahl und Größe der Partikel.

Bei der Umformung beispielsweise entstehen Verbindungselemente, indem externe Kräfte die Gestalt eines Rohlings verändern. Abrieb des verwendeten Rohstoffes lässt sich dabei nicht vermeiden, ebenso wenig bei der späteren Inspektion. Dabei passieren die fertig umgeformten Teile in hoher Geschwindigkeit Kamerasysteme und kommen miteinander, aber auch mit umliegender Technologie in Kontakt. Neben diesen prozessbedingten Partikeln können Fremdkörper von außen in die Produkte gelangen, etwa durch Kontakt mit Arbeitspersonal.

Partikel auf dem Prüfstand

 Bei kritischen Komponenten mit entsprechenden Sauberkeitsanforderungen führen Hersteller eine Partikelanalyse durch, für die der VDA einheitliche Standards etabliert hat. Die Prüfung umfasst eine Probennahme mit anschließender Laboruntersuchung, um festzustellen, ob Produkte bestimmte Partikelgrenzwerte einhalten oder nicht. Das dazu erforderliche Probenmaterial lässt sich über eine Nass- oder Trockenextraktion gewinnen.

Bei der auch von Arnold Umformtechnik verwendeten Nassextraktion werden Partikel über ein Spritzverfahren vom Bauteil abgewaschen und die so gewonnene Flüssigkeit über einen in VDA 19.1 empfohlenen Filter filtriert. Partikel größer als fünf Mikrometer bleiben im Filter zurück. Bei der Trockenextraktion kommen Technologien zum Abblasen oder Absaugen der Partikel zum Einsatz und halten die Teilchen ebenfalls per Filtration für die anschließende Laboranalyse zurück.

Die Auswertung der extrahierten Partikel erfolgt in der Regel mikroskopisch: Prüfpersonal kann die optisch vergrößerten Partikel vermessen und klassifizieren, etwa in metallisch glänzend, nicht metallisch glänzend, Fasern oder Fusel. So lassen sich Aufschlüsse über den Ursprung der Partikel gewinnen. Zudem schafft eine Analyse Klarheit darüber, ob die entdeckten Fremdkörper innerhalb der Grenzwerte liegen. Werden Grenzwerte überschritten, bietet sich je nach Sauberkeitsanforderungen eine Endreinigung nach dem Verlesen an.

Vielfältige Reinigungsoptionen

 Unterschiedliche Verfahren können Teile im Mikrometerbereich drastisch reduzieren. Dazu gehören Reinigungsverfahren mit Lösemitteln, Wasser oder modifiziertem Alkohol, die beispielsweise bei Fügeteilen aus galvanisierten Stählen, Kupfer und Aluminium zum Einsatz kommen. Im Sauberraum befreien spezielle Reinigungsanlagen die Verbindungselemente von Partikeln. Entsprechende Reinigungsmedien und Schwenkbewegungen sorgen für einen restlosen Abtrag.

Schutz vor Rekontamination

 Geprüfte und gereinigte Produkte sind bereit für die Verpackung. Eine sauberkeitsgerechte Verpackung gemäß VDA 19.2 dient dazu, die technische Sauberkeit von Bauteilen während des Transports, der Lagerung und der Bereitstellung für weitere Fertigungs- oder Montageprozesse zu gewährleisten. Etablierte Verfahren zur Herstellung mehrlagiger Transportverpackungen für Produkte mit dem Anspruch technischer Sauberkeit schaffen Abhilfe: Sie erzielen eine Lagefixierung der Teile im Inneren und ermöglichen ein schichtweises Auspacken.

Beim patentierten Konzept Cleanpac kommen Produkte – beispielsweise Einpressschrauben –in Kunststoffschalen, die verdeckelt werden. Die Prozesse übernehmen vielerorts Roboter, um Kontaminationsrisiken durch Menschen zu vermeiden. Eine Folienschicht ummantelt anschließend die gedeckelte Schale, bevor diese unter Vakuum verschweißt wird. Die so aneinandergedrückten Einzelprodukte erzeugen beim Transport keine Reibung, wodurch Abrieb ausbleibt. Eine sauberkeitsgerechte Verpackung sollte zudem gut recyclebar sein und nicht selbst zu einer Partikelquelle werden.

Dass sich die Sauberkeits- und Prüfanforderungen je nach Fügeteil unterscheiden, versteht sich von selbst: Unterschiedliche Teile erfüllen unterschiedliche Zwecke und erfordern somit ein abgestimmtes Vorgehen. Mit einer individuellen Analyse und Reinigung können Hersteller von Verbindungsteilen wichtige Weichen für die technische Sauberkeit und Sicherheit von Batteriezellen leisten – aber auch bei der Entwicklung neuer Lösungen. Scharfe Grate oder tiefe Hinterschneidungen lassen sich durch eine umsichtige Konzeption reduzieren, mit positiven Auswirkungen auf die Produktion der Verbindungslösungen. In eigenen Verschraubungslaboren prüfen führende Hersteller ihre Lösungen deshalb früh auf mögliche Partikelquellen – und ebnen so den Weg für eine sichere E-Mobilität.

Der Autor ist Daniel Schmidt, Team Leader Cleancon – Technical Cleanliness bei Arnold Umformtechnik

Info

Die Arnold Group, international bekannt für innovative Verbindungstechnik, hat sich aufgrund ihres umfangreichen Know-hows in der Produktion von intelligenten Verbindungselementen zu einem führenden Anbieter und Entwicklungspartner von komplexen Verbindungssystemen entwickelt. Unter dem Dach der „BlueFastening Systems“ positioniert sich das Unternehmen als umfassender Anbieter für Engineering, Verbindungselemente, Funktionsteile sowie Zuführsysteme und Verarbeitungstechnik. Diese ganzheitliche Kombination aus Erfahrung und Know-how bietet effiziente, nachhaltige Lösungen auf internationaler Ebene. Seit 1994 gehört das Unternehmen zur Würth Gruppe.

Arnold Umformtechnik hat bei der Definition und Umsetzung der technischen Sauberkeit Maßstäbe gesetzt: Das Unternehmen aus Forchtenberg arbeitet seit Jahren eng mit dem VDA zusammen und hat die beiden Bände von „Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie“ in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut in Stuttgart erarbeitet. Mit Cleancon bietet der Hersteller innovativer Verbindungstechnik außerdem ein Leistungspaket, das die Reinigung, chargenbegleitende Analyse, Beschichtung und die sauberkeitsgerechte Verpackung von Verbindungselementen umfasst.

www.arnold-fastening.com