Mit Mikrostrukturen gegen Wackelkontakte

  • 11. December 2017

Lasertechnik erhöht Ausfall­sicher­heit elek­trischer Stecker.

Schlechte Steckverbindungen sind häufig die Ursache für ein Versagen elek­tro­nischer Geräte. Gerade in der Auto­mobil­industrie, wo immer mehr Elek­tronik ein­ge­setzt wird, spielt die Qualität von Steck­kontakten eine wichtige Rolle – und hier kann die Material­wissen­schaft helfen. Spezielle Struk­turen auf Mikro- und Nano­skala, die sich mit Hilfe neuer Laser­techniken rasch und kosten­günstig her­stellen lassen, sollen für mehr Ausfall­sicher­heit sorgen.

Mikrostrukturen

Abb.: Mit Laserstrahlen lassen sich ganz unterschiedliche Oberflächenstrukturen herstellen. (Bild: TU Wien)

Seit Jahren wächst die Anzahl von Sensoren und Prozes­soren, die in Autos ver­baut werden. Dieser Trend wird sich durch den Sieges­zug der Elektro­autos wohl noch weiter fort­setzen. „Wenn man mit einem Auto über eine rumpe­lige Buckel­piste fährt, sodass das ganze Fahr­zeug in Vibra­tion ver­setzt wird, ist das eigent­lich das Schlech­teste, was den Steck­kontakten passieren kann“, erklärt Carsten Gachot von der TU Wien. Die Stecker beginnen auf winziger Skala ein kleines Stück­chen hin und her zu wackeln. Diese mini­malen Bewe­gungen, das „Fretting“, genügen um für Ver­schleiß zu sorgen, der schließ­lich den Kontakt zum Ver­sagen bringen kann.

Selbst wenn die Wahrscheinlichkeit für die Zerstörung eines einzelnen Steck­kontaktes recht gering ist, ergibt sich durch ihre große Anzahl eine hohe Aus­fall­wahr­schein­lich­keit: „In einem modernen Auto geho­bener Kate­gorie sind mehrere Kilo­meter Kabel mit Tausenden von Steck­kontakten ver­baut“, sagt Gachot. So ist es nicht über­raschend, dass nach Angaben des ADAC Elek­tronik-Aus­fälle die Pannen­ursache Nummer eins sind.

Bekämpfen lässt sich das Problem mit neuen Erkenntnissen aus der Tribo­logie – der Wissen­schafts­diszi­plin, die sich mit Reibung und Ver­schleiß aus­ein­ander­setzt. „Das Problem ist, dass wir zwei schwer ver­ein­bare Anfor­de­rungen gleich­zeitig erfül­len müssen“, sagt Gachot. „Einer­seits sollen die Kontakte halten und auch durch Vibra­tionen nicht gelockert werden, anderer­seits soll es mög­lich sein, mit relativ geringem Kraft­auf­wand die Stecker ein- und wieder aus­zu­stecken.“

Die Lösung ist, die Stecker mit einer feinen Struktur zu ver­sehen. „Ver­schie­dene Muster auf mikro­sko­pischer Skala, die dem Material auf­ge­prägt werden, können das Reibe- und Ver­schleiß­ver­halten drastisch beein­flussen“, sagt Gachot. „In Simula­tions­berech­nungen und Experi­menten unter­suchen wir an der TU Wien, welche Struk­turen das beste Ergebnis liefern.“

Um diese Strukturen rasch und kostengünstig herstellen zu können, arbeitet Gachot mit Forschungs­gruppen der Uni des Saar­landes und der TU Dresden zusammen. „Die ent­schei­dende neue Idee ist, Laser­licht zur Herstel­lung der feinen Struk­turen zu ver­wenden“, sagt Gachot. Wenn man einen Laser­strahl in zwei Teile auf­spaltet und beide auf der Ober­fläche über­lagert, ver­dampft das ent­ste­hende Licht­muster das Material an bestimmten Stellen, an anderen Orten aber bleibt die Ober­fläche unver­sehrt. So können, je nach­dem, wie man die Strahlen mit­ein­ander über­lagert, in kurzer Zeit unter­schied­liche Mikro- und Nano­struk­turen erzeugt werden.

„Mit bisherigen Methoden wäre es nicht wirtschaft­lich gewesen, Steck­kontakte mit solchen Struk­turen zu ver­sehen“, sagt Gachot. „Aber mit dieser Laser­methode kann man inner­halb von vierzig Sekunden die Struk­tu­rie­rung für alle Steck­kontakte eines ganzen Autos durch­führen – für Zusatz­kosten von 21 Cent pro Auto.“

Die Entwicklung von Mikro- und Nanostrukturen für Steck­verbin­dungen ist aber nicht nur für die Auto­mobil­industrie inte­res­sant. Die neuen Erkennt­nisse lassen sich auf eine Viel­zahl tech­nischer Bereiche an­wenden – von All­tags­geräten bis zu Flug­zeug­turbinen.

TU Wien / RK

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