Gehäusefertigung Technische Schalengehäuse: Das müssen Sie wissen

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Schalengehäuse bieten eine Kombination aus Schutz, Schirmung, Wärmeableitung und mechanischer Stabilität, die für eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit der elektronischen Geräte von großer Relevanz sind.

Der Nutzen von Schalengehäusen als Umhausung für elektronische Systeme kann nicht genug hervorgehoben werden. Gefertigt aus Aluminium- oder Stahlblechen überzeugen sie mit einer leichten Bauweise und verfügen dennoch über eine hohe Formstabilität, sodass sie der implementierten Elektronik Schutz vor mechanischen Belastungen wie Vibrationen oder Stößen bieten und deren Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöhen. Gefertigt mittels modernster Stanz- und Biegeautomaten erweisen sich Schalengehäuse zudem vergleichsweise kostengünstig in der Produktion.

Neben Kriterien wie der mechanischen Verarbeitung und den Kosten spielt ebenfalls die Optik eine entscheidende Rolle, denn letztendlich ist das Gehäuse die Visitenkarte eines elektronischen Produktes.

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Schalengehäuse für elektronische Geräte

Schalengehäuse gibt es in verschiedenen Standard-Formen und Standard-Größen, die den gängigen Formfaktoren genügend Platz bieten. Es können auch individuelle Gehäuseparameter gefertigt werden. Die verwendeten Aluminium- und Stahlbleche lassen sich mittels des Fertigungsverfahrens „Abkanten“ relativ leicht umformen und ermöglichen somit eine große Flexibilität im Design von Gehäusen.

Damit eignen sich Schalengehäuse besonders für die Realisierung projektbezogener Gehäuseformate. Schalengehäuse sind eine beliebte Wahl als Tisch-, Pult-, Panel- und Tragschienengehäuse.

Die in verschiedenen Höhen, Breiten und Tiefen erhältlichen Schalengehäuse bestehen aus Blechhalbschalen, welche mithilfe von Einpressmuttern und Schrauben miteinander verbunden werden. Diese einfache Montage gewährleistet eine unkomplizierte Installation und Wartung der Elektronik.

In der Unterschale befinden sich fest eingepresste Gewinde-Buchsen, die der Befestigung von Montage- oder Leiterplatten dienen, und deren Position und Höhe frei wählbar sind. Für Steuerungs- oder Bedienungseinheiten, bei denen die Ergonomie wichtig ist, eignen sich Schalengehäuse mit einer schrägen, geneigten Oberschale. Diese Neigung erleichtert die Bedienung und den Blickwinkel auf die darin befindlichen Bedienelemente oder Anzeigen. Die Größe und Neigung des Bedienfeldes kann nach den Wünschen des Kunden dimensioniert werden.

Wärmemanagement und EMV

Um eine Überhitzung der Elektronik zu vermeiden, lassen sich die Schalenbleche mit Lüftungsschlitzen versehen. Dies ist besonders wichtig bei Geräten, die intensiv Wärme abgeben. In Bereichen, in denen die Entwärmung der Elektronik aufgrund großer Verlustleistungen oder hohen Bestückungsdichten besonders erschwert wird, empfiehlt sich der Einsatz von Schalengehäusen aus Aluminiumblechen mit integrierten Aluminium-Kühlkörpern.

Kühlkörper leiten Wärme effizient ab und helfen dabei, die Betriebstemperatur der elektronischen Komponenten zu kontrollieren. Hierzu gibt es ein breites Sortiment an Kühlkörperprofilen mit verschiedenen Breiten, Höhen, Kühlrippengestaltung und mit unterschiedlichen Wärmeableitwerten. Mithilfe von Wärmeableitdiagrammen kann der Anwender das richtige Profil auswählen.

Schalengehäuse aus verzinktem Stahlblech eigen sich besonders gut für den Einsatz in einem elektromagnetischen Umfeld. Stahlbleche sind elektrisch leitend und können elektromagnetische Interferenzen (EMI) abschirmen. Die in kleinen Abständen angeordneten Verzahnungen der Unter- und Oberschale unterstützen zudem die Schirmung nach außen (EMV). Auf diese Weise werden Störungen zwischen verschiedenen elektronischen Geräten verhindert.

Für eine zweckmäßige und sichere Fixierung können alle Schalengehäuse optional mit unterschiedlichen Befestigungselementen ausgestattet werden. Befestigungslaschen mit speziellen Aussparungen für Schrauben gewährleisten selbst in einem Umfeld mit hohen Vibrationsstörungen eine zuverlässige Wand- sowie Deckenmontage.

Eine schnelle und einfache Montage an eine Hutschiene garantiert ein stabiles Aluminium-Strangpressprofil, das über eine dazu speziell entwickelte Kontur und einer eingepressten Drahtformfeder aus rostfreiem Stahl verfügt. Auf Kundenwunsch ist ein Einpressen mehrerer Drahtformfedern zur Erhöhung der Haltekraft möglich.

Einseitig klebende, transparente und rutschfeste Gerätefüße ermöglichen den Einsatz als Tischgehäuse.

Fertigung: Von der Blechtafel zum Schalengehäuse

Modifikationen der Gehäuse lassen sich jederzeit schnell verwirklichen. Die Fertigung von Schalengehäusen aus Aluminium- oder Stahlblechen erfolgt in verschiedenen Arbeitsschritten. Zuerst werden die zuvor ermittelten Blechzuschnitte (Abwicklung) der einzelnen Blechschalen gefertigt.

Dies erfolgt vorzugsweise mittels der mechanischen Trennverfahren „Stanzen“ und „Nibbeln“. In der metallverarbeitenden Industrie werden dazu CNC-gesteuerte „Stanz-Nibbel-Maschinen eingesetzt, deren Schneidwerkzeuge aus zwei Teilen bestehen, dem Stempel und der Matrize. Sie zeichnen sich durch eine hohe Produktivität bei niedrigen Herstellungskosten aus. Zur Fertigung der Blechzuschnitte wird eine Blechtafel zwischen den beweglichen Stempel und die Matrize gelegt. Der Stempel drückt das Blech mit großer Kraft und Geschwindigkeit in die Matrize und schneidet so die gewünschte Kontur aus.

Genormte Geometrien (z.B. für D-SUB-Steckverbinder) werden mit einem speziell dafür angefertigten Stempel mit einem Hub ausgestanzt.

Bei der Herstellung längerer Ausschnitte oder Formen, für die kein extra angefertigter Stempel vorliegt, führt das Stanzwerkzeug mehrere Hub-Bewegungen aus, wobei sich die einzelnen Hübe überschneiden. Man spricht dann vom Nibbeln. Auf diese Weise lassen sich die Blechzuschnitte schnell und preiswert stanzen bzw. nibbeln.

Als nachteilig erweisen sich allerdings oft die kleinen Zacken und Grate, die durch die Scherschneidbewegung an den Schnittkanten der Bleche entstehen. Diese sogenannten Nibbelkanten sind bei Anwendungen, in denen es auf eine saubere Kantenglätte ankommt, unerwünscht und müssen gegebenenfalls in einem zusätzlichen Fertigungsschritt entfernt werden.

Alternative Laserschneiden

Alternativ lassen sich Flachteile aus Blechen mit dem Laserstrahlschmelzschneiden herstellen. Beim diesem Fertigungsverfahren wird das Blech durch einen Laserstrahl eines Festkörperlasers sauber durchtrennt, welcher dabei sehr hohe Temperaturen erzeugt. Da die Schneideflächen beim Laserstrahlschmelzschneiden nicht oxidieren und es am Schnittspalt nicht zu einer Gratbildung kommt, ergeben sich glatte und saubere Schnittkanten.

Ein weiterer Vorteil des Laserschneidens gegenüber dem Nibbeln liegt in der Präzision und der Vielseitigkeit des Schneidverfahrens. Es können feinere Details und engere Toleranzen gefertigt werden.

Das Implementieren von Vertiefungen wie Nuten oder Taschen wiederum erfolgt über das Fertigungsverfahren „Fräsen“. Für höchste Qualitätsansprüche können die Blechzuschnitte komplett gefräst werden.

Fräsbearbeitungen zeichnen sich durch eine hohe Toleranzgenauigkeit, einer sauberen Kantenglätte und planebenen Fräsflächen mit besonderer Güte in Hinsicht auf Ebenheit und Rauheit aus. Jedoch handelt es sich im Vergleich zum Stanzen und Laserschneiden um ein eher kostenintensives Fertigungsverfahren.

Letztlich hängt die Wahl des Fertigungsverfahrens von der herzustellenden Menge, den Kosten und den spezifischen Anforderungen ab. In einigen Fällen kann das Fräsen die bessere Wahl sein, in anderen wiederum das Laserschneiden oder Nibbeln.

Formgebung der Gehäuseschalen

Sind die Blechzuschnitte der Gehäuseschalen erstellt, müssen diese anschließend in Form gebracht werden. Eine gängige Methode der Blechverarbeitung ist das Abkanten, das präzise und wiederholbare Biegeergebnisse ermöglicht.

Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Blechzuschnitt auf einer Biegemaschine zwischen zwei Werkzeugen eingespannt wird. Das Oberwerkzeug drückt das Blech gegen das Unterwerkzeug, wodurch dieses in eine bestimmte Form gebogen wird. Die genaue Form des Biegens hängt von der Wahl der Werkzeuge ab.

Zur Montage der Blechschalen sowie zur späteren Befestigung von beispielsweise Platinen oder Montageplatten ist es notwendig, die Blechschalen mit diversen Einpressverbindern zu versehen. Einpressmuttern, -bolzen oder -buchsen können in jede gewünschte Position eingesetzt werden.

Die individuelle Note für das Gehäuse

Unumstritten ist die ästhetische und optische Wirkung eines Gehäuses. Dazu tragen die Oberflächenbeschaffenheit und die Farbgebung maßgeblich bei, denn diese sind oft mitentscheidend für den Verkaufserfolg eines Produktes.

Eloxiertes Aluminium bietet ein gleichmäßiges Erscheinungsbild und steigert zudem die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen Verschleiß und Korrosion. Neben den standardmäßigen Oberflächenausführungen naturfarben eloxiert (ME) und schwarz eloxiert (SA) sind andere Farben auf Anfrage möglich.

Robuste Pulverbeschichtungen zeichnen sich durch gute Kratz-, Abrieb- und Schlagfestigkeit, einer sehr hohen Schutzwirkung gegen Korrosion und Chemikalien aus. Dadurch eignet sich die Pulverbeschichtung besonders für Geräte, die unter harschen Umweltbedingungen eingesetzt werden. Pulverbeschichtungen sind in vielen RAL-Farben erhältlich.

Fazit: Die Wahl eines geeigneten Gehäuses hängt von verschiedenen Faktoren ab. Es muss der implementierten Elektronik genügend Platz bieten und diese, je nach Anwendung, vor Umwelteinflüssen wie Staub, Schmutz und Feuchtigkeit bewahren. Gefertigt aus Aluminium- oder Stahlblechen überzeugen Schalengehäuse durch eine hohe Stabilität, eine erstklassige Qualität sowie individuellen Gestaltungsmöglichkeiten, und sind aufgrund dessen in zahlreichen Anwendungsbereichen einsetzbar. (kr)

* Bettina Lochen arbeitet als Technikerin im Bereich Gehäuseentwicklung bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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