Innovationspreis

Kupfer-Steckverbinder langlebiger und genauer auslegen

16. November 2015, 14:28 Uhr   |  Hagen Lang

Kupfer-Steckverbinder langlebiger und genauer auslegen
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Steckverbinder aus dem Automobil (links) und ihre plastische Dehnungsverteilung im Bereich maximaler Beanspruchung (rechts), nach der Steckermontage bei Raumtemperatur (rechts oben) und nach 24 h bei 150 °C (rechts unten).

Steckverbinderhersteller können ihre Produkte aus Kupfer und technischen Kupferteilen schneller, günstiger und langlebiger herstellen, als bisher. Dies ermöglicht ein neues Materialmodell für die Simulation des Fraunhofer IWM und des Instituts fem, das den Innovationspreis des Deutschen Kupferinstituts 2015 erhielt.

Hohe Betriebstemperaturen, gute Stromtragfähigkeit bei gleichzeitiger Miniaturisierung, die geforderte Lebensdauer und gesteigerte mechanische Anforderungen stellen die Entwickler von kupferbasierten Steckverbindern vor Herausforderungen, zudem die Entwicklungszeiten immer kürzer werden. Die computergestützte Konstruktion und Optimierung von Kupferbauteilen gewinnt deswegen an Bedeutung.

Das aus Mitarbeitern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Kooperation mit dem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie fem bestehende Team charakterisierte mithilfe von Zug- und Relaxationsversuchen ausscheidungsgehärtete CuNiSi-Legierungen, entwickelte ein geeignetes mechanismenbasiertes Materialmodell und berechnete beispielsweise den Zustand von Steckverbindern unter 150 °C nach 24 Stunden korrekt voraus. Damit konnten der temperatur- und zeitabhängige Verlauf der Klemmkraft und die plastische Dehngrenze eines beliebig geformten Kupfer-Bauteils mit einer neuen, höheren Ergebnisgüte vorhergesagt werden.

»Wir stellen jetzt ein Werkstoffmodell zur Verfügung, mit dem das komplexe Verhalten von Kupfer-Bauteilen präziser vorhergesagt werden kann«, erläutert Dr. Matthias Weber vom Fraunhofer IWM das Ergebnis des Projekts. »Es ging vor allem darum, das Relaxationsverhalten möglichst exakt zu beschreiben – davon hängt es ab, wie sich das Bauteil zeit- und temperaturabhängig verhält.«

Je kleiner die Bauteile, desto prekärer die Klemmkraft und desto schneller nimmt die Stromleitfähigkeit bis zu einem Grenzwert hin ab, an dem der elektrische Widerstand zu groß wird und das Bauteil ausgetauscht werden muss.

Hersteller von ausscheidungsgehärteten Kupferbauteilen können mit der neuen Simulation mit weniger kosten- und zeitaufwändigen Versuch-und-Irrtum-Analysen das Langzeitverhalten ihrer Bauteile im Einsatz genauer vorausberechnen. Außerdem steht ein Simulationsmodell zur Integration in Finite-Element-Programme zur Verfügung, mit dem das Ausscheidungsverhalten der jeweiligen Legierung beschrieben und die mechanischen Eigenschaften des Bauteils bereits beim Fertigungsprozess positiv beeinflusst werden kann. Umformprozesse können so bereits bei der Bauteilherstellung optimiert werden, zum Beispiel das Crimpen elektrischer Kontakte oder das Kompensieren von Rückfeder-Effekten beim Biegen.

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