Mit Mikrostrukturen gegen Wackelkontakte
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.
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-
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
