Leitfaden zur konstruktionsorientierten Fertigung (DFM) für Kupfer-Sammelschienen zur kostenoptimierten maßgeschneiderten Produktion

Design for Manufacturing ist der beste Ansatz zur Kostenreduktion und Qualitätsverbesserung. Kleine Änderungen am Design können zu einer Senkung der Fertigungskosten und der Durchlaufzeit von Kupfer-Stromschienen in Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge, in der Stromverteilung sowie in Anwendungen der erneuerbaren Energien führen. Überdimensionierung ist ein häufiges Problem bei vielen Ingenieuren, die Merkmale überdimensionieren, wodurch die Bearbeitungskomplexität steigt – ohne dass ein funktionaler Mehrwert entsteht. Sie erhalten Einblicke in Ihre Gestaltungsentscheidungen und -einschränkungen, um ein Design mit denselben elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erstellen, jedoch zu geringeren Kosten. Viele Kunden haben sich bereits an Kinto gewandt, um das Design von Kupfer-Stromschienen zu optimieren – insbesondere für hochpräzise Teile mit engen Toleranzen. Dieser Leitfaden bietet wertvolle Hinweise zu DFM-Grundsätzen, die keine Kosten verursachen, aber die Zuverlässigkeit der Produkte sicherstellen.

Vereinfachen Sie Lochmuster und Abstände

Das Bohren von Löchern gehört zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren bei der Herstellung von Kupfer-Sammelschienen; jedes Loch erhöht die Fertigungskosten. Pro Loch sind Rüstzeiten, Werkzeugverschleiß und Prüfaufwand erforderlich. Kosten sparen: Die Anzahl der Befestigungs- oder Anschlusspunkte sollte auf das unbedingt Erforderliche beschränkt werden. Vermeiden Sie zudem zahlreiche kleine Löcher, die mehrere Werkzeugwechsel oder spezielle Bohrer erfordern würden. Sorgen Sie für ausreichenden Abstand zwischen den Löchern sowie zum Rand der Sammelschiene. Kupfer ist von Natur aus relativ weich; befinden sich Löcher zu nahe am Rand, kann es beim Stanzen oder Bohren zu Verformungen oder Einrissen kommen. Als allgemeine Richtlinie sollten Löcher mindestens 1,5-mal so weit vom Rand entfernt liegen wie die Materialdicke beträgt, und der Abstand zwischen benachbarten Löchern sollte nicht geringer als die Materialdicke sein. Falls die Sammelschiene beschichtet werden soll: Ist es erforderlich, dass alle Öffnungen vollständig beschichtet werden, oder reicht eine Teilbeschichtung für Ihren Anwendungsfall aus? All diese kleinen Optimierungen summieren sich zu erheblichen Einsparungen bei den Zykluszeiten.

Biegeradien für die Eigenschaften von Kupfer optimieren

Kupfer verhält sich beim Biegen anders als Stahl, und seine Reaktion variiert stark je nach Legierung und Temperung. Falls der gewünschte Biegeradius für die gewählte Legierung und Temperung zu klein ist, kann es zu Rissen, Oberflächenfehlern oder zusätzlichen Glühprozessen kommen, die zeitaufwändig und kostspielig sein können. Der optimale Biegeradius für die Innenseite von Biegungen beträgt bei den meisten Kupfer-Sammelschienen-Anwendungen das Eine- bis Zweifache der Materialdicke. Bei weicheren Temperungen (geglühtes Kupfer) lassen sich enge Radien erreichen; bei schwingungsbelasteten Anwendungen kann jedoch die mechanische Festigkeit unzureichend sein. Während der Fertigung verwendete Temperungen, die zu einer härteren Temperung führen, sind schwerer zu biegen und erfordern möglicherweise größere Radien. Eine frühzeitige Abstimmung mit dem Verarbeiter zur Auswahl der richtigen Temperung ist daher entscheidend, um elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Umformbarkeit optimal auszugleichen. Berücksichtigen Sie zudem die Biegerichtung im Verhältnis zur Walzrichtung des Kupferblechs: Das Biegen quer zur Walzrichtung (statt in Walzrichtung) verringert das Risiko von Oberflächenrissen. Obwohl mit den Präzisionsmaschinen von Kinto eine breite Palette einzigartiger Geometrien hergestellt werden kann, sind jene Konstruktionen stets kostengünstiger, die die natürlichen Kupfer-Umform-Eigenschaften berücksichtigen.

Sekundäroperationen durch intelligente Konstruktion reduzieren

Sekundäroperationen wie Entgraten, Verdecken beim Galvanisieren und zusätzliche Bearbeitungsdurchgänge sind erhebliche Kostenfaktoren. Werden diese Schritte reduziert oder ganz entfallen, erfüllt ein gut konstruierter Stromschienenleiter seine Aufgabe zuverlässig. Vermeiden Sie nichtstandardmäßige Dicken, die speziell gewalzt werden müssen, oder übermäßiges Oberflächenschleifen. Verzichten Sie auf Verdeckungen in gewünschten Wandbereichen, da automatische Fallen in der Galvanisierlösung oder manuelles Verdecken erforderlich wären. Falls flexible Stromschienenverbindungen benötigt werden, ist es möglicherweise vorteilhafter, lamellierte Shunts direkt in den Hauptstromschienenkörper einzubauen, anstatt komplexe flexible Sprungleitungen zu verwenden, die entweder verschweißt oder am Stromschienenkörper verschraubt werden müssen. Gestalten Sie ebene, durchgehende Flächen so, dass sie problemlos mit Klebeband, Pulverbeschichtung oder Schrumpfschlauch zur Erfüllung von Isolationsanforderungen abgedeckt werden können. Enge Kanäle und schwer zugängliche Bereiche infolge scharfer Ecken erfordern manuelle Nachbearbeitung. Abgerundete Ecken und großzügige Radien tragen nicht nur zur Reduzierung von Spannungskonzentrationen bei, sondern ermöglichen zudem automatisierte Oberflächenfinishverfahren.

Toleranzstrategie, die Präzision und Kosten in Einklang bringt

Eine engere Toleranz ist immer teurer in der Fertigung. Die Kostensteigerung verläuft nicht linear – die Reduzierung der Toleranz von 0,10 auf 0,05 kann dazu führen, dass sich die Kosten für Bearbeitung und Prüfung um mehr als das Zweifache erhöhen. Geben Sie daher keine engere Toleranz vor, als unbedingt erforderlich ist. Tragen Sie keine Toleranz bei einer Maßangabe ein, wenn sie die Form oder Funktion des Bauteils nicht beeinflusst. Einige Teile – beispielsweise Sammelschienen vieler Einheiten, die sich bei der Montage durch Verformung ausgleichen können – benötigen möglicherweise keine extreme Positionsgenauigkeit in Länge und Breite. Legen Sie eine Maß- und Toleranzfestlegung fest, die den Einsatz von geometrischen Maß- und Toleranzzeichen (GD&T) ermöglicht, und weisen Sie Toleranzen ausschließlich kritischen Merkmalen zu, die diese tatsächlich benötigen – etwa die Position von Befestigungsbohrungen oder Maße im Zusammenhang mit Montageschnittstellen. Dadurch entsteht beim Fertiger nicht der falsche Eindruck, dass alle Merkmale höchste Genauigkeit erfordern. Kintos Fertigungskapazitäten sind äußerst präzise. Um individuelle Geometrien entsprechend unserer Fertigungskapazitäten herzustellen, empfehlen wir unseren Kunden, enge Toleranzen ausschließlich dort anzuwenden, wo sie rein funktionsbedingt erforderlich sind. Die Einsparungen durch lockerere Toleranzen können in andere Werkstoffe, hochwertigere Komponenten oder intensivere Prototypenentwicklung investiert werden. Die Anwendung dieser Konstruktionsmethode für die Fertigung (Design for Manufacturing) bereits in den frühen Entwurfsphasen hilft Ihnen, die Gesamtkosten zu senken und wirtschaftliche Lösungen zu realisieren.