Einpresstechnik - BIZON-WICON Verbindungstechnik
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Ing. Büro für<br />
Normung und<br />
Kontakttechnologie<br />
DIN/VDE·EN·IEC<br />
weltweit<br />
patentiert<br />
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für Normfragen<br />
A. Veigel<br />
Amtgasse 11<br />
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<strong>Einpresstechnik</strong><br />
die lötfreie <strong>Verbindungstechnik</strong> für Leiterplatten<br />
DIN EN 60352-5<br />
Themen<br />
Vorgeschichte und warum lötfreie <strong>Einpresstechnik</strong>?<br />
Patentsituation<br />
gasdichte Zone<br />
Der ideale Kontakt im Vergleich bekannter Profile<br />
KFZ - Erhöhte Umweltanforderungen, hoher Strom<br />
<strong>BIZON</strong> - Neue Lösung für neue Anforderungen
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Vorgeschichte der <strong>Einpresstechnik</strong><br />
Verdrahtung eines Elektronikschrankes Anfang 1970er<br />
…..so konnte es nicht weitergehen!
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Vorgeschichte der <strong>Einpresstechnik</strong><br />
„aufgeräumte“ Wirewrap-Verdrahtung<br />
….ein wesentlicher Fortschritt
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Deshalb <strong>Einpresstechnik</strong><br />
Rückplatte (Backpanel) mit Busverdrahtung in <strong>Einpresstechnik</strong><br />
mit Wickel- oder Steckerstiften ….technischer Fortschritt
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Unterschiede Steckerkontakt - Einpresskontakt<br />
Steckverbinder Einpressverbindung<br />
Kontaktstelle für häufiges Stecken und<br />
Ziehen, Trennen und Schließen<br />
Der Kontaktdruck darf nicht so hoch<br />
sein, dass sich die Kontaktpartner<br />
verformen<br />
Keine gasdichte Verbindungsstelle<br />
möglich, relativ wenige Strompfade mit<br />
deutlichem Übergangswiderstand<br />
Kontaktoberflächen müssen gegen<br />
Korrosion geschützt und veredelt<br />
werden<br />
Die Verbindungspartner (Stift/Buchse)<br />
sind eine konstruktive Einheit und<br />
gemeinsam für den Nennstrom<br />
ausgelegt<br />
Kontaktstelle darf nicht mehr getrennt<br />
werden. (Reparatur nur mit neuem<br />
Kontakt)<br />
Der Kontaktdruck muss so hoch sein,<br />
dass sich die Kontaktpartner verformen<br />
Gasdichte Verbindung, mit möglichst<br />
großer Berührungsfläche und kleinem<br />
Übergangswiderstand<br />
Die Kontaktoberflächen können auch<br />
blank sein<br />
Die Verbindungspartner<br />
(Kontakt/Leiterplatte) werden<br />
unabhängig voneinander konstruiert und<br />
hergestellt
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Lötverbindung<br />
Thermisches Verfahren, stoffschlüssige<br />
Verbindung der Grundwerkstoffe mittels<br />
metallischem Zusatzwerkstoff (Lot).<br />
Bleifrei erfordert höhere Temperatur<br />
Indirekte Verbindung über zwei spröde<br />
intermetallische Phasen und plastisches<br />
Lot, geringer spez. elektr. Leitwert<br />
Temp.wechselbeanspruchung kritisch;<br />
große Bauteile (Stromschienen) frieren<br />
mechanische Spannungen ein.<br />
α Cu=18, FR4=12, ∇ 100mm/100°C= 0,06mm<br />
Insgesamt nicht hochtemperaturfest<br />
Lötprobleme bei Stromschienen durch<br />
große Wärmeableitung,<br />
große Wärmekapazität, lange Lötzeit<br />
Vergleich Einlöten zu Einpressen<br />
Einpressverbindung<br />
Mechanisches Verfahren ohne<br />
Temperatureinwirkung, Verschweißung<br />
der Grundwerkstoffe durch Druck,<br />
Reibung, Temperatur und Zeit<br />
(Kaltverschweißung)<br />
Direkte, elastische Verbindung,<br />
definierte Parameter,<br />
sehr hoher spezifischer elektr. Leitwert<br />
Jeder Kontakt steht für sich;<br />
Temperaturdehnungen werden elastisch<br />
aufgenommen<br />
Temperaturfest entsprechend den<br />
Grund-werkstoffen, verbessert<br />
Kaltverschweißung<br />
Alle Kontakte sind mit einem Hub in<br />
0,1 s prozess-sicher verbunden
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Patentsituation<br />
Auswahl einiger Patente für elastischen Einpresskontakt, es gibt<br />
sehr viel mehr.<br />
DE 8436559<br />
DE 1465477<br />
DE 2228953<br />
DE 3123512<br />
DE 3125522<br />
DE 8306630<br />
DE 2435461<br />
DE 2525640<br />
DE 2545505<br />
DE 2930560<br />
DE 3006437<br />
DE 8105896<br />
DE 8404681<br />
DE 2656736<br />
DE 2800663<br />
DE 2937883<br />
DE 3210348<br />
DE 3220781<br />
DE 3241061<br />
DE 3226598<br />
DE 102004028202<br />
EP 0023293<br />
EP 0043165<br />
EP 0089778<br />
EP 0095282<br />
EP 0092150<br />
EP 0110187<br />
EP 0125098<br />
EP 0134094<br />
EP 0124767<br />
EP 0138309<br />
EP 0152769<br />
FR 1268834<br />
FR 1268834<br />
FR 2287827<br />
US 3545080<br />
US 3783433<br />
US 3824554<br />
US 3975078<br />
US 3634819<br />
US 4737114<br />
US 5823830<br />
usw.<br />
Anzahl für winziges technisches Detail zeigt<br />
das wirtschaftliche Potential<br />
etliche Patente bereits gelöscht oder<br />
abgelaufen<br />
Minenfeld wegen Absicherungstaktik der<br />
Firmen
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Gasdichte Zonen<br />
Was ist eine gasdichte Zone?<br />
Zwei Metalloberflächen werden im atomaren Bereich so nahe<br />
zueinander gebracht, daß kein Fremdmolekül (Gasmolekül)<br />
dazwischen paßt.<br />
Warum sind gasdichte Zonen bzw. Kontaktflächen wichtig?<br />
Wasserhaut auf Oberflächen<br />
Sauerstoff, Schwefel etc. + Wasser gibt Säuren: Korrosion<br />
Korrosionsprodukte schlecht leitend und größeres Volumen<br />
Unterwanderung und Trennung der Kontaktflächen<br />
Wie bekomme ich eine gasdichte Zone?<br />
Anliegende feingeschliffene Oberflächen: U-Bahn für Gase.<br />
Gasdichte Zonen nur, wenn Kontaktpartner an der Oberfläche<br />
verformt, ineinander gedrückt, gerieben werden.<br />
Die Festigkeitswerte zumindest eines Partners müssen deutlich<br />
überschritten werden.
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Der ideale Einpresskontakt<br />
symmetrische Kraftverteilung, - Krafteinleitung, kein<br />
Drehmoment, keine Achsverlagerung, langer Biegebalken mit<br />
hoher Restelastizität<br />
möglichst viele, sichere gasdichte Kontaktflächen<br />
vorbestimmte Kontaktflächen mit angrenzendem Freiraum für<br />
Materialverdrängung, Lackschichten, Korrosionsprodukte<br />
Selbstzentrierung der Kontaktflächen im Loch, sichere 4-Punkt-<br />
Anlage, größte Kraft in der Mitte der Leiterplatte<br />
keine Zinnspanbildung durch radiale Verdrängung (Pflug)<br />
für volle Strombelastbarkeit: großer Materialquerschnitt im Loch<br />
großer Leiterquerschnitt im Loch = hohe Raumökonomie<br />
weicher Einlauf, niedrige Einpresskraft schont Hülse und LP<br />
großer Toleranzbereich, trotzdem Einpresskraft und Kontaktkraft<br />
möglichst konstant<br />
hohe Haltekraft zur mechanischen Eigensicherung
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Bekannte Schliffbilder<br />
Achsverlagerung?<br />
Selbstzentrierung?<br />
Federweg?<br />
Luft im Loch?, Federweg?<br />
Kontaktkraft nach Bruch des<br />
Mittelsteges in kleinerem<br />
Loch?<br />
Definierte<br />
Kontaktflächen?, radiale<br />
Verdrängung?
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Die neuen Anforderungen bei Automotive<br />
hohe Umweltbelastungen<br />
Schwingen, Temperatur, Schadgase,<br />
Betauung<br />
hohe mechanische Belastung<br />
große, schwere Anschlußteile, lange<br />
Stromschienen<br />
dicke Anschlußkabel<br />
hohe elektrische Belastung<br />
hohe Dauerströme,<br />
hohe Einschaltspitzen<br />
kritische Parallelschaltung
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Einpresskontakt <strong>BIZON</strong> Patent<br />
Die neue Lösung, der Einpresskontakt <strong>BIZON</strong><br />
Warum bisher nicht<br />
verwirklicht?<br />
Stanztechnik<br />
Breite/Tiefe ~ 1<br />
Verformung nur in<br />
Hubrichtung<br />
elastischer Stift mit<br />
konventioneller Technik<br />
nicht machbar<br />
Das Quadrat im Kreis<br />
ergibt absolut symmetrische Verhältnisse<br />
Neue Lösung durch<br />
Nutzung neuer Werkstoffe<br />
und Verfahren<br />
Prüffähige Teile durch<br />
Laserschneiden<br />
herstellbar
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Vergleich der Leiterquerschnitte im Loch<br />
Stanztechnik Stanzformen<br />
Wettbewerb 1,6 mm², Loch 2,2 mm<br />
Querschnitt im Loch 100%<br />
hochleitende Werkstoffe<br />
<strong>BIZON</strong> 2,25 mm², Loch 2,0 mm<br />
Querschnitt im Loch 154%<br />
auch preisgünstiges Messing
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Idealvergleich Einpresskontakt <strong>BIZON</strong><br />
Kraftverteilung und Kraftrichtungen in die Leiterplatte bei neuer<br />
quadratischer Einpresszone<br />
vier symmetrisch verteilte, weit<br />
auseinanderliegende, definierte<br />
Kontaktflächen<br />
durch 4 gleiche radiale<br />
Kontaktkräfte ergibt sich<br />
gute Selbstzentrierung und<br />
symmetrische Abstützung<br />
kein Drehmoment,<br />
keine Tangentialbewegung<br />
kein Knicken bei Min-Loch<br />
geringe Kraftsummierung =<br />
geringe Dehnung der LP<br />
Summe der Kontaktkräfte<br />
größer als Verformungskraft
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Was ist neu? Einpresskontakt <strong>BIZON</strong><br />
Trennung in 2 Hälften<br />
halbiert mechanisches Widerstandsmoment<br />
schonender Toleranzausgleich bei Kontakten in<br />
Reihe<br />
großer plastischer Verformungsbereich<br />
überdeckt Lochtoleranzen mit konstanter Kraft,<br />
langer Biegebalken gibt hohe Restelastizität<br />
offener Drehpunkt bewirkt<br />
leicht konische Verformung,<br />
sanftes Eindringen, doppelte Federwirkung,<br />
steigende Kraft in Pressrichtung, kurzer LP-Überstand<br />
preiswertes Messing
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Was ist neu? Einpresskontakt <strong>BIZON</strong><br />
Offene Spitze = weich ansteigender Kraftverlauf<br />
Achsversatz bewirkt keine Formänderung des Kontaktes,<br />
die Schenkel verschieben sich nur gegeneinander.
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Was ist neu? Einpresskontakt <strong>BIZON</strong><br />
Einknicken nach innen bei zu kleinem Loch unmöglich<br />
Rollende Spitze, weich einsetzende, steigende Kraft in der<br />
Mitte der Leiterplatte
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Beispiel einer Stromschiene<br />
andere Größen und Bauteile sind jederzeit möglich.<br />
Kontakte für Steckverbinder, Relais, Kabelanschlüsse für Leiterplatten,<br />
Anschlussblöcke für Hochstrom<br />
3,81<br />
vorverzinnt,<br />
Blechdicke 1,5 mm
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Testergebnisse eines realisierten Kontaktes<br />
Prüfung in Anlehnung an EN 60352-5<br />
Kontaktblock mit 4 Einpresszonen<br />
Querschliff, Schnitt-Tiefe 1,0<br />
mm, bei 1,6 mm Leiterplatte<br />
deutlich ausgeprägte, klar begrenzte<br />
Kontaktspuren mit Pflugspitze
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Alle Tests bestanden<br />
Prüfung in Anlehnung an EN 60352-5<br />
Kontaktblock mit 4 Einpresszonen<br />
Strombelastbarkeit<br />
Die sehr nahe<br />
beieinander liegenden<br />
Kurven zeigen, dass der<br />
Engpass für die<br />
Strombelastbarkeit nicht<br />
im Kontakt, sondern in<br />
den berechenbaren<br />
Zuleitungen und der<br />
Leiterplatte liegen.<br />
Der gesamte Strompfad<br />
ist zu berücksichtigen.
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Die richtige Einpressgeschwindigkeit<br />
In der Norm wird seit vielen Jahren eine Einpressgeschwindigkeit von<br />
25 bis 50 mm/min empfohlen. Physikalisch richtig?<br />
Nachteile:<br />
• Verschweißung und ständiges Losreissen bereits während des Einpressens,<br />
nachteilig für Kontaktflächen<br />
• Einpresskräfte hoch.<br />
Einpressgeschw. 25 mm/min Einpressgeschw. 3000 mm/min<br />
Bei genügend schnellem Einpressen keine Verschweißung während des Einpressens.<br />
Vorteile:<br />
• Einpresskraft sinkt auf Reibwertniveau, dadurch höhere Haltekraft als Einpresskraft.<br />
• Deutlich kürzere Prozesszeit für den Einpressvorgang.<br />
• Einpressdauer Normgeschwindigkeit 8,5 Sekunden<br />
• bei 3000mm/min jedoch nur 0,1 Sekunde. Enormer Zeitgewinn in der Fertigung
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Zusammenfassung Einpresskontakt <strong>BIZON</strong><br />
Merkmale Nutzen<br />
größtmöglicher, fast<br />
quadratischer Querschnitt,<br />
symmetrische Kräfte<br />
keine Feinstanz- und<br />
Prägetechnik, geringe<br />
Materialverformung<br />
großzügige plastische<br />
Verformung, volle Nutzung<br />
des E-Moduls<br />
großer Toleranzbereich,<br />
geringe Belastung der LP,<br />
hohe Haltekräfte<br />
herstellerunabhängige<br />
Lizenzierung<br />
geringster Platzbedarf,<br />
hohe Strombelastbarkeit,<br />
hohe Wärmeleitfähigkeit<br />
hohe mech. Stabilität.<br />
einstellbare Kontaktkräfte<br />
schnelle Entwicklung,<br />
unkritische Werkzeuge,<br />
preiswertes Messing<br />
möglich, relativ gute<br />
Leitfähigkeit<br />
geringe LP-Kosten, hohe<br />
Kontaktsicherheit<br />
Patentrechtl. gesicherte<br />
Technologie, frei von<br />
Wettbewerbsinteressen
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Erkenntnis?<br />
Bei einer guten Einpressverbindung ist es wie im richtigen<br />
Leben:<br />
Das gelungene Einpressen des Stiftes in die Buchse<br />
hinterläßt bei beiden Partnern einen bleibenden Eindruck.
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