Gehäusetechnik Warum maßgefertigte Gehäusemodifikationen wichtig sind

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Nahezu jedes Elektroniksystem benötigt ein Gehäuse, aber nicht überall kann ein Standardmodell verwendet werden. In einigen Fällen ist eine komplette Maßfertigung erforderlich, aber für viele Entwürfe ist die Modifikation eines Standardgehäuses schneller und günstiger.

Die Aufgabe von Gehäusen ist vielfältig. Sie schützen die Elektronik in industriellen Umgebungen, beeinflussen die Vorlieben der Verbraucher durch visuelle Attraktivität und erhalten die Markenbotschaft und -identität. Lackierungen oder Siebdruckgrafiken tragen dazu bei, diese Erwartungen zu erfüllen. Die Anpassung an Kundenwünsche kann auch dabei helfen, mit den sich verändernden Märkten Schritt zu halten, die durch das Internet der Dinge (IoT) beschleunigt werden.

Der Anpassungsprozess bietet zwar viele Vorteile, birgt aber auch zahlreiche Fallstricke, die zu Produktverzögerungen, Kostenüberschreitungen und Kundenunzufriedenheit führen können.

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Dieser Artikel bietet eine Einführung in die Gehäusetechnik für elektronische Systeme. Anschließend wird eine Strategie für eine erfolgreiche Modifizierung von Gehäusen am Beispiel von kleinen IoT-Gehäusen von Hammond dargelegt.

Die Basics: Gehäuse für elektronische Systeme

Die Hauptfunktion eines Gehäuses besteht darin, ein elektronisches System vor Umwelteinflüssen wie Staub, Feuchtigkeit, ultravioletter Strahlung (UV) und physischen Schäden zu schützen. Ein Gehäuse kann auch eine wichtige Rolle bei der Wärmeableitung sowie bei der Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und HF-Störungen (RFI) spielen.

Das Erreichen dieser Ziele beginnt mit der Auswahl des geeigneten Materials. Zu den Optionen gehören Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat, stranggepresstes und druckgegossenes Aluminium sowie verschiedene Stahlsorten. Jedes Material hat seine eigenen Vorzüge in Bezug auf Kosten, Gewicht, Haltbarkeit und Aussehen.

Ein Beispiel für die Vielfalt von Gehäusen ist die Serie 1554/1555 von Hammond (Bild 1). Diese Gehäuse bestehen aus preiswertem ABS-Kunststoff für Standard- und kostengünstige Anwendungen oder aus robustem Polycarbonat für anspruchsvollere Anwendungen. Die letztgenannte Option erfüllt die Anforderungen der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 4/4X und 6/6P für wasserdichte und tauchbare Anwendungen und kommt mit der Flammschutzklasse bis UL94-5VA. Die Gehäuse sind mit einer Nut- und Federdichtung versehen und bieten einen Schutzgrad (IP) bis zu IP68.

Die Gehäuse müssen auch die Befestigung der Elektronik ermöglichen, indem sie Befestigungspunkte für Schrauben, Slots für Leiterplatten und Montagezungen für Hutschienen aufweisen. Die Serie 1554/1555 hat innen eingegossene Slots für vertikal montierte 1,6 mm dicke Leiterplatten.

Ein weiteres Beispiel ist die Serie 1455NHD, die aus Aluminiumgehäusen besteht (Bild 2). Diese haben sieben horizontale Slots, die 100 mm × 160 mm große Leiterplatten im Europacard-Format aufnehmen können. Das Gehäuse aus stranggepresstem Aluminium kann auch als Kühlkörper dienen. Zu diesem Zweck sind sechs wärmeableitende Rippenbereiche in das Gehäuse integriert.

Einer der Hauptgründe für die Modifizierung eines Gehäuses sind vorgegebene Löcher und Ausschnitten für spezielle Funktionen. Dazu zählen Einführungspunkte für Strom- und Datenkabel, Benutzerschnittstellenelemente einschließlich Leuchten, Taster und Anzeigen, Wartungszugang und Batteriewechsel sowie Lüfter und andere Umweltkontrollen.

Die Strategie für allgemeine Gehäusemodifikationen

Ein Gehäuse kann auch das Hinzufügen verschiedener Elemente erfordern. Dazu zählen Montageelemente, wie eine innere Metallplatte zur Befestigung schwererer Komponenten, eine transparente oder durchsichtige Frontplatte, die eine Sichtprüfung des Systems und aller internen Anzeigen ermöglicht oder Zubehör für die Kabelführung, Tragbarkeit und anderer Funktionen. Bild 3 zeigt ein Gehäuse der Serie 1554, an dem viele gängige Änderungen vorgenommen wurden.

Die meisten dieser Änderungen erfordern eine Bearbeitung des Gehäuses, um die richtige Größe und Ausrichtung der Löcher, Ausschnitte und Befestigungspunkte zu gewährleisten. Um kostspielige und zeitaufwändige Nacharbeiten zu vermeiden, ist es ratsam anhand eines Musters des geänderten Gehäuses die Passgenauigkeit zu überprüfen. Ein Muster kann auch den Gesamtentwurf verbessern, indem es Möglichkeiten für Änderungen aufzeigt, die die Montage und Wartung des Produkts vereinfachen können.

Auch die maschinelle Bearbeitung kann zu Materialfehlern führen. Bei Kunststoffgehäusen können übermäßig schnelle Fräsvorschübe den Kunststoff anschmelzen und Verformungen und Spannungsrisse verursachen. Auch Reaktionen mit Werkzeugkühlmitteln können zu Brüchen und Rissen führen.

Materialfehler und die Notwendigkeit einer Qualitätskontrolle

Metallgehäuse bieten ihre eigenen Herausforderungen, vor allem weil die Materialien schwieriger zu bearbeiten sind und spezielle Werkzeuge und Fähigkeiten erfordern. Kleine oder komplizierte Öffnungen sind bei Metallgehäusen besonders schwierig umzusetzen. Die maschinelle Bearbeitung kann sich auch auf die Porosität einiger Materialien, wie Aluminiumdruckguss, auswirken. Weitere Schäden können durch das Einpressen von Beschlägen, wie Bolzen, sowie durch scharfe Kanten und Grate entstehen, die durch schlechte Bearbeitung entstanden sind.

Diese Faktoren können die IP-Einstufung eines Gehäuses verändern und seine strukturelle Integrität beeinträchtigen. Diese Bearbeitungsfehler sind mitunter schwer zu erkennen, daher ist eine gute Qualitätskontrolle unerlässlich.

Lackieren, Siebdruck und andere Bearbeitungsverfahren

Das Aussehen des Gehäuses ist wichtig. Ein sauberes visuelles Design kann Benutzern helfen, die Funktionen eines Systems zu finden, zu identifizieren und zu nutzen. Ein Beispiel dafür ist das Gehäuse 1553T für Handgeräte, das speziell für Messgeräte entwickelt wurde. Es hat aufgedruckte Grafiken, die die Funktionen der Bedienelemente anzeigen (Bild 4).

Ein ansprechendes Design kann sogar dazu beitragen, das Markenimage aufrechtzuerhalten und die Kunden zu motivieren, sich für ein Produkt zu entscheiden. Für Designer ist es wichtig, mit einem Gehäuse zu beginnen, das das gewünschte Aussehen und die gewünschte Wirkung hat.

Bild 5 zeigt die Serie 1557, ein Beispiel für eine Gehäusefamilie, die den aktuellen Design-Trends entspricht. Diese Gehäuse zeichnen sich durch ihre abgerundeten Ecken und Flächen aus. Sie sehen modern aus, wobei die Langlebigkeit und der IP-Schutz herkömmlicher Gehäuse erhalten bleiben.

Bild 5 verdeutlicht auch die große Bedeutung der Oberflächenbehandlung. Pulverbeschichtung, Eloxierung und andere Veredelungen sorgen für ein hochwertiges Aussehen und schützen ein Gehäuse vor UV-Strahlung, korrosiven Chemikalien und anderen Umwelteinflüssen. Per Siebdruck lassen sich ansprechende Bilder und wichtige Informationen über die Funktion und Verwendung eines Systems aufbringen.

Schlecht bearbeitete Oberflächen können das Aussehen und die Leistungsfähigkeit eines Gehäuses beeinträchtigen. Fehler im Siebdruck, wie eine falsche Ausrichtung oder falsche Farben, können den Ruf einer Marke schädigen. Blasenbildung und abblätternde Farbe machen ein Produkt unattraktiv. Wenn die Beschichtung eine schützende Funktion hat, können Mängel in der Beschichtung auch zu Schäden am System führen. Wie bei der Bearbeitung sind strenge Qualitätskontrollen und frühzeitige Probenahmen entscheidend, um diese Probleme zu vermeiden und die Projektziele zu erreichen.

Die Strategie zur Modifizierung des Gehäuses

In Anbetracht der damit verbundenen Risiken stellt sich die Frage, wie die Änderungen am Gehäuse am besten angegangen werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, die Änderungen intern vorzunehmen. Ist das Team unerfahren oder hat nicht die erforderlichen Werkzeuge, ist die Umsetzung meist weniger hochwertig.

Eine andere Möglichkeit ist der Kauf von Standardgehäusen, die dann von einem zweiten Anbieter modifiziert werden können. Zu den Risiken dieses Ansatzes gehören die Kommunikation von Entwurfsspezifikationen, mehrfache Revisionen und lange Verzögerungen bis zum fertigen Produkt.

Um diese Probleme zu vermeiden, kann man die Gehäuse direkt vom Hersteller modifizieren lassen. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass der Hersteller bereits die vollständigen Spezifikationen seiner Gehäuse kennt, weiß, wie er sie ändern kann und wie er die Ergebnisse testen muss, um ein Qualitätsprodukt zu gewährleisten. Mit diesem Ansatz können die Ergebnisse besser vorhergesagt und die Zeit bis zur Markteinführung verkürzt werden.

Die Strategie bei der Auswahl eines Gehäuseherstellers

Die Hersteller verfügen über unterschiedliche Fähigkeiten, Anforderungen und Verfahren, so dass es wichtig ist, zunächst die in Frage kommenden Hersteller zu bewerten und einen auszuwählen, dessen Angebot den Projektanforderungen entspricht. Der erste Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass der Hersteller die Auftragsgröße in der gewünschten Zeitspanne fertig stellen kann. Zum Beispiel hat Hammond eine typische Mindestbestellmenge (MOQ) für modifizierte Artikel von 25 Stück und kann viele Aufträge in nur wenigen Wochen erfüllen.

Der nächste Schritt besteht darin, zu überprüfen, ob der Hersteller die erforderlichen Änderungen vornehmen kann. Hammond kann zum Beispiel folgende Modifikationen vornehmen:

• Löcher, Ausschnitte, Gewindeschneiden, Gewindebohren und Senkungen,

• eingepresste Hardware, wie Bolzen und Abstandshalter,

• Druck von Grafiken, einschließlich Logos und Etiketten,

• Sondergrößen und -farben,

• vorinstalliertes Zubehör.

Und schließlich ist es entscheidend, dass der Hersteller eine strenge Qualitätskontrolle durchführt und vor der Produktion Muster zur Verfügung stellen kann. Um sicherzustellen, dass das Gehäuse gemäß den Spezifikationen gebaut wird, stellt Hammond vor Beginn der Arbeiten eine Korrekturzeichnung und die erforderliche Druckvorlage zur Überprüfung bereit. Sobald die Genehmigung erteilt ist, stellt Hammond ein einziges Muster her und prüft dies sorgfältig auf Mängel. Der Kunde erhält dann das Musterstück zur Kontrolle und Prüfung. Wenn das Design geändert werden muss, kann über Nacht ein neues Muster mit den erforderlichen Änderungen erstellt werden. Die vollständige Produktion beginnt erst nach Genehmigung des Musters.

Hammond unternimmt noch weitere Schritte, um die Qualität sicherzustellen. So werden zum Beispiel alle lackierten Gehäuse, die Löcher und Ausschnitte benötigen, vor der Lackierung modifiziert, um sicherzustellen, dass die Kanten um den Ausschnitt herum in Werksqualität lackiert sind.

Zusammenarbeit mit dem Gehäusehersteller zur Optimierung des Designs

Die direkte Zusammenarbeit mit einem Gehäusehersteller eröffnet Möglichkeiten zur Design-Optimierung. Für jedes Projekt gibt es viele Gehäuseoptionen. Eine Beratung mit dem Hersteller kann helfen, die Suche nach Gehäuseoptionen einzuschränken und schnell die ideale Lösung zu finden.

Es lohnt sich auch zu prüfen, welche Informationen der Hersteller benötigt. Einige Hersteller akzeptieren Dokumente, die nur aus groben Skizzen bestehen, während andere bestimmte Formate verlangen. Die Klärung dieser Frage in einem frühen Stadium eines Projekts kann viel Zeit und Mühe bei der Planung sparen.

Der Hersteller kann auch Möglichkeiten zur Vereinfachung langfristiger Engagements anbieten. So weist Hammond beispielsweise jedem kundenspezifischen Gehäuse eine eindeutige Teilenummer zu, damit später zusätzliche Mengen desselben Designs bestellt werden können.

Fazit: Ein richtig modifiziertes Gehäuse bringt viel

Neben dem physischen Schutz elektronischer Systeme verbessern Gehäuse das Benutzererlebnis und die Sicherheit, zeichnen das Produkt aus und stärken die Marke. Durch die Nutzung des Fachwissens eines Gehäuseherstellers kann die Herausforderung der maßgefertigten Anpassung gemeistert und erfolgreich ein Gleichgewicht zwischen funktionalen Anforderungen, Ästhetik, Kosten und Markteinführungszeit hergestellt werden. (kr)

Elektronikgehäuse

Lean Production: Prozesse in der Gehäusefertigung optimieren

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei DigiKey.

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