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Maschinenverkleidungen Hohe Belastungen für digitale Bauteile

| Redakteur: lic.rer.publ. Susanne Reinshagen

Industrielle Bedingungen sind meist gleichbedeutend mit hohen physikalischen Belastungen für alle beteiligten Teile. Just bei Digitaltechnik, wie sie im Zuge der Industrie 4.0 unvermeidlich ist, kann sich dies besonders belastend auswirken.

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In der zu digitalisierenden Industrie herrschen oft Bedingungen, die überaus „digitalschädlich“ sind.
In der zu digitalisierenden Industrie herrschen oft Bedingungen, die überaus „digitalschädlich“ sind.
(Bild: gemeinfrei/skeeze / Pixabay )

Industrie, das weiss jeder, der sich in ihr auskennt, ist nicht zwingend die beinahe klinisch saubere Umgebung, als die sie oft von Laienseite aus gezeichnet wird. Noch in der saubersten Halle einer Autoproduktion, wo Schweissroboter in der nur für Reparaturen und Wartungen unterbrochenen Finsternis einzelne Blechprofile zu einer Karosserie zusammensetzen, hat sich am Ende einer Schicht erhebliche Mengen weggespritzter Schweissschlacke auf dem Boden abgesetzt – jeder einzelne wegspritzende Funken gehört schliesslich dazu. Und denkt man an die Schwerindustrie, an Stahl- und sonstige Metallwerke, ist auch klar, welche thermischen Belastungen hier zusätzlich auftreten können.

Tatsache ist, dass eine industrielle Produktion von vielfältigen Belastungen gekennzeichnet wird – sowohl für Mensch wie Material. Doch insbesondere letzterem kommt in der heutigen Epoche der Digitalisierung der Industrie eine verstärkte Aufmerksamkeit zu. Denn so leistungsfähig moderne Halbleiter- und sonstige Digitalbauteile auch sind, ihnen setzen diese Belastungen in besonderem Mass zu. Welche Belastungen das sind und wie sie zu verhindern sind, zeigt der folgende Artikel.

1. Vibrationen unterschiedlichster Intensität

Überall, wo Bewegungen auftreten, entstehen Vibrationen. Das gilt noch an einem Gummi-Laufband, das auf kugelgelagerten Rollen seine unermüdlichen Touren dreht. Und ganz gleich, wie stark oder schwach Vibrationen sind, sie sind auf Dauer in der Lage, jedes Bauteil zu beschädigen, denn hier geht es immer um feinste Schwingungsimpulse – nichts Anderes also, das deutlich kräftiger bei einem pneumatischen Bohrhammer passiert, der sich durch Beton frisst.

Industrie ist gleich Bewegung, Bewegung ist gleich Vibrationen, egal wie sorgsam die Lagerung erfolgt. Selbst feinste Vibrationen können auf Dauer Halbleiterbauteile beeinträchtigen.
Industrie ist gleich Bewegung, Bewegung ist gleich Vibrationen, egal wie sorgsam die Lagerung erfolgt. Selbst feinste Vibrationen können auf Dauer Halbleiterbauteile beeinträchtigen.
(Bild: gemeinfrei/PIRO4D / Pixabay )

Bei digitaler Halbleitertechnik ist das ein grosses Problem. Denn ihr fehlt ein Schutzmerkmal, das praktisch alle anderen Elemente aufweisen können: Massivität. Je massiver ein Bauteil, desto besser „schluckt“ es Vibrationen. Sie verteilen sich, schwächen sich ab. Halbleiter sind heute jedoch ausnahmslos Bauteile, deren Schaltkreise im Labor mittlerweile auf die Dicke einer Atomlage gebracht wurden und die selbst in praktischen Anwendungen nur mehr Nanometer-dick sind.

Einzelne starke Stösse, aber eben auch die Dauerbelastung schwacher Vibrationen können dazu führen, dass diese hauchdünnen Leiter (allmählich) durchtrennt werden. Der einzige im industriellen Umfeld sinnvolle Schutz dagegen ist es, alle relevanten Bauelemente konsequent zu entkoppeln. Dazu ist eine Montage auf hinreichend dicken, weichen, wenig dichten Zwischenstücken erforderlich. Natürlich muss dann gewährleistet sein, dass dennoch eine feste Verbindung besteht, sich beispielsweise ein Sensor nicht neigt oder verdreht.

2. Stäube unterschiedlichster Körnungsgrössen

Staub ist in der Industrie vollkommen unvermeidlich, denn er entsteht durch die Produktionsprozesse selbst wie sämtliche Transport- und sonstigen Bewegungen. Aus diesem Grund ist es in der Halbleiterindustrie ja auch so aufwendig, eine Reinraumproduktion zu verwirklichen.

Stäube sind nicht zuletzt deshalb eine Gefahr, weil sie sich lange Zeit relativ unbemerkt aufsummieren können. Deshalb ist stete Reinigung auch so wichtig – nicht erst, wenn die Verschmutzung augenscheinlich ist.
Stäube sind nicht zuletzt deshalb eine Gefahr, weil sie sich lange Zeit relativ unbemerkt aufsummieren können. Deshalb ist stete Reinigung auch so wichtig – nicht erst, wenn die Verschmutzung augenscheinlich ist.
(Bild: gemeinfrei/skeeze / Pixabay )

In anderen Branchen besteht natürlich kein Problem damit, dass Staubablagerungen auf Halbleitern direkt erfolgen könnten; die dort genutzten Lösungen sind in der Regel herstellerseitig gegen dieses Risiko abgekapselt. Dennoch verbleibt hohes Schadenspotenzial:

  • Auf Dauer können sich Stäube kumulieren und so Luftfilter, Lüfterräder und Kühlrippen so zusetzen, dass die Wärmeableitung nicht mehr optimal ist.
  • Stäube, die in bewegliche Teile gelangen, etwa Gelenke, machen diese nicht nur schwergängiger, sondern fördern je nach Zusammensetzung mechanischen Abrieb, der die Bewegung erst unpräziser macht und auf lange Sicht auch zerstören kann.
  • Auf Sensoren können sich Stäube ablagern. Zunächst sorgt dies für Falschmessungen, bei stärkerer Verschmutzung kann die Messung auch generell verunmöglicht werden.

Die erste Gegenmassnahme muss darin bestehen, die unvermeidlichen Staubbelastungen zu begrenzen. Dazu können abgekapselte Maschinen- und Geräteverkleidungen zum Einsatz kommen, wodurch die Belastung nur auf das reduziert wird, was innerhalb der Apparatur geschieht.

Was digitale Bauteile anbelangt, muss jedoch sichergestellt werden, dass diese dermassen „smart“ sind, dass sie Verschmutzungen nicht nur selbsttätig erkennen und darüber informieren, sondern auch in der Lage sind, dadurch ausgelöste Falschmessungen/-signale richtig zu interpretieren bzw. zu ignorieren.

Nicht zuletzt ist es eine menschliche Daueraufgabe, nach festgelegten Plänen entsprechende Reinigungen durchzuführen, damit es im Idealfall niemals zu einer riskanten Ansammlung derartigen Produktionsschmutzes kommt.

3. Schnell wechselnde Temperaturen und Temperatur-Extreme

Wenn Bauteile sich gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmen oder abkühlen, dehnen sie sich bekanntermassen aus oder ziehen sich zusammen. Schon das ist ein Problem für alle Arten von Bauteilen, so auch den digitalen: Denn es ist durchaus möglich, dass eine zu hohe Temperatur (wie sie auch durch zugesetzte Kühlrippen entstehen kann), dafür sorgt, dass sich das Innere eines Halbleiterbauteils so ausdehnt, dass es hier zu Schäden kommt. Chipgehäuse können brechen, das Drahtbonden kann überdehnt werden, sogar reissen – erst recht, wenn noch Vibrationen hinzukommen. Und dass von aussen einwirkende Temperaturen natürlich auch das Leiterverhalten stören bzw. negativ beeinflussen können, kommt noch hinzu.

Das bedeutet:

  • Vor der Verwendung bzw. dem Ankauf digitaler Bauteile, etwa Sensoren, muss ingenieursmässig der Ist-Temperaturbereich am späteren Montageort gemessen werden. Das reine Verlassen auf Datenangaben reicht nicht aus!
  • Es muss zusätzlich gewährleistet werden, dass jene Bauteile idealerweise niemals mit den Temperaturwechseln in Kontakt kommen bzw. diese so langsam wie möglich ablaufen. Dies geschieht abermals durch Abkapselung in Form gedämmter Gehäuse; im Zweifelsfall für einzelne Bauteile.
  • Installierte Kühlsysteme müssen überdimensioniert sein, damit sie auch in unerwarteten Extremsituationen in der Lage sind, eine ausreichende Mindestleistung samt Sicherheitsreserve zur Verfügung zu stellen.
  • Zum System gehörige Temperaturmessinstrumente müssen einen Mindest- bzw. Maximalbereich aufweisen, der jenseits dessen liegt, was auch im undenkbaren Fall eintreten könnte. Haben bspw. die Messungen vor Ort eine Höchsttemperatur von 360K ergeben, sollte das System mindestens in der Lage sein, bis 450K zuverlässig zu messen.

Der ideale industrielle Einbau eines Digitalbauteils wäre einer, bei dem gewährleistet ist, dass das Teil ungeachtet sämtlicher Einflüsse immer auf seiner Optimaltemperatur gehalten wird, die sich niemals ändert.

Zusammengefasst

Digitale Technik ist ein unverzichtbarer Baustein für die Zukunft jeder Industrie. Dabei muss aber auch anerkannt werden, dass diese Technik selbst vergleichsweise empfindlich ist. Alles, was angeschafft wird, muss deshalb grundsätzlich „industrietauglich“ sein. Nur das garantiert, dass eine Grundfestigkeit gegen die zu erwartenden Belastungen gegeben ist – der Kauf von für diesen Einsatzbereich untauglichen Teilen birgt enorme Ausfall- und somit Kostenrisiken. Allerdings muss überdies immer angestrebt werden, alle zu erwartenden Belastungen weiter abzumildern. Denn auch wenn diese die Auslegeparameter eines einzelnen Digitalbauteils nicht überschreiten, spielt natürlich immer die Lebenszeitauswirkung eine Rolle. Je mehr Teile geschont werden, desto länger halten sie auch wenn sie digital arbeiten und können dazu beitragen, die zusätzlichen Umsätze einzubringen, wegen derer sie angeschafft wurden. <<

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