Abwägung der Vor- und Nachteile von Gehäusematerialien

Gehäuse gibt es in vielen Größen und Formen, aber das Material, aus dem das Gehäuse besteht, ist oft die allererste Überlegung bei der Beschaffung eines neuen Produkts und wohl der größte Faktor für die Performance eines Gehäuses. Die Kenntnis gängiger Materialien ist für die Planung, Beschaffung und Wartung elektrischer und elektronischer Baugruppen unerlässlich.

Im Großen und Ganzen lassen sich die Gehäusewerkstoffe in metallische und nicht-metallische Kategorien einteilen.

Nichtmetallische Werkstoffe

Die meisten nicht-metallischen Gehäuse bestehen aus Kunststoff, in der Regel ABS oder Polycarbonat, aber auch Glasfaser gehört zu dieser Kategorie.

Nichtmetallische Werkstoffe sind für Hochfrequenzwellen durchlässig und eignen sich gut für drahtlose Kommunikationsgeräte, die leicht Signale senden und empfangen müssen. Auf der anderen Seite kann diese Eigenschaft nachteilig sein, wenn das Gerät vor elektromagnetischen Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) geschützt werden muss.

ABS

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein preiswerter Thermoplast, der sich leicht verarbeiten und formen lässt. ABS ist der bevorzugte Kunststoff für den Innenbereich und bietet trotz seines relativ geringen Preises eine gute Schlagfestigkeit, Hitzebeständigkeit und Vielseitigkeit. Während Allzweck-ABS (GPABS) der wirtschaftlichste Typ ist, ist auch flammhemmendes ABS (FRABS) erhältlich, das einen mittelhohen Grad an Flammschutz (UL 94V-0) bietet.

ABS-Gehäuse sind häufig schwarz, grau oder weiß, aber auch bunte Varianten wie gelb, rot und blau sind nicht ungewöhnlich. ABS ist leicht zu bearbeiten und zu verändern. Leider ist es nicht ideal für starke Beanspruchung und es ist schwierig, ABS transparent zu machen.

Abbildung 1: ABS-Kunststoffgehäuse der Serie 1551MINI von Hammond. Da völlige Transparenz bei ABS nicht möglich ist, wird häufig durchscheinendes oder „mattes“ ABS verwendet. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Polycarbonat

Polycarbonat ist der Rockstar der Kunststoffwelt. Aufgrund seiner überragenden Schlagfestigkeit, seines großen Betriebstemperaturbereichs und seiner Beständigkeit gegen UV-Schäden ist er der bevorzugte Kunststoff für viele Anwendungen im Außenbereich, für Anwendungen mit hoher Beanspruchung und für den Schiffsbau. UV-stabilisiertes Polycarbonat widersteht Verfärbungen und Versprödung durch Sonneneinstrahlung und ist von Natur aus klar. Aus diesem Grund wird es häufig für Produkte wie Brillengläser und Windschutzscheiben von Rennwagen sowie für hochwertige Gehäuse verwendet. Polycarbonat hat hohe Flammschutzwerte. Wie zu erwarten, ist Polycarbonat daher eine weniger wirtschaftliche Option als ABS, vor allem zu Beginn eines Projekts, aber seine Langlebigkeit selbst unter rauen Bedingungen kann langfristig Kosten sparen.

Abbildung 2: Transparente Kunststoffgehäuse aus Polycarbonat der Serie 1591T von Hammond. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Glasfaser

Glasfaserverstärktes Polyester, abgekürzt FRP oder GRP, besteht aus mit Glasfasern verstärktem Polyesterkunststoff. FRP ist wie Polycarbonat für die Verwendung im Freien geeignet und zeichnet sich durch eine gute Schlagfestigkeit und einen weiten Betriebstemperaturbereich aus, der sogar größer ist als der von Polycarbonat. Es kann jedoch durch UV-Einwirkung verfärbt werden. Aufgrund seiner Beschaffenheit kann GFK beim Schneiden Glaspartikel verteilen, und für seine Bearbeitung sind spezielle Schutzausrüstungen und Werkzeuge erforderlich.

Sowohl Polycarbonat als auch FRP bieten eine gute chemische Beständigkeit und sind ideal für den Einsatz in salzhaltigen Umgebungen. FRP widersteht Lösungsmitteln und verdünnten Säuren und Basen. Polycarbonat besitzt eine gute Beständigkeit gegen Säuren und einige Lösungsmittel und Laugen. Informieren Sie sich immer über die spezifischen Gefahren, bevor Sie ein Material auswählen.

Abbildung 3: Ein Gehäuse aus glasfaserverstärktem Polyester, Hammond-Artikelnummer 1590ZGRP084. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Metallische Werkstoffe

Im Gegensatz zu Nichtmetallgehäusen haben Gehäuse aus Metall bessere Abschirmungseigenschaften gegen RFI und EMI. Metall-auf-Metall-Kontakt ist für eine vollständige Abschirmung und Erdung unerlässlich, ein Prozess, der für die Sicherheit beim Umgang mit elektrischen Geräten im Inneren des Gehäuses notwendig ist. Metallische Werkstoffe sind im Allgemeinen für die Verwendung im Freien geeignet und weisen eine gute Schlagfestigkeit auf.

Bei Metallen ist es wichtig, auf galvanische Korrosion, auch als Korrosion ungleicher Metalle bezeichnet, zu achten. Wenn zwei verschiedene Metalle miteinander in Berührung kommen, beginnt dasjenige, das „basischer“ ist bzw. seine Elektronen leichter abgibt, schneller zu korrodieren, was sowohl strukturelle als auch ästhetische Schäden verursacht. Es sollte darauf geachtet werden, keine verzinkten Schrauben oder einen verzinkten Stahlverbinder mit einem Gehäuse aus Edelstahl zu verwenden.

Aluminium

Aluminium ist ein Nichteisenmetall, das trotz seines relativ geringen Gewichts sehr stabil ist. Zusätzlich zu den verschiedenen Formen, die es annehmen kann, wie Aluminiumblech, stranggepresstes Aluminium und Aluminiumdruckguss, hat es auch unterschiedliche Eigenschaften, je nachdem, welche Legierung verwendet wird. Eine Legierung besteht aus dem Grundmaterial (Aluminium) und anderen Metallen oder Elementen. Manche Legierungen sind fester als andere, oder sie sind dehnbarer, oder sie vertragen bestimmte Oberflächenbehandlungen besser, und so weiter.

Aluminium lässt sich leicht verarbeiten und formen und ist das kostengünstigste metallische Material für Gehäuse.

Aluminiumdruckguss

Aluminiumdruckgussgehäuse werden durch Gießen von geschmolzenem Metall in Formen (auch Hohlräume genannt) hergestellt. Druckguss eignet sich am besten für kleine bis mittelgroße Gehäuse, so dass für größere Produkte eher Blech als Guss verwendet wird. Das Verfahren ist schnell und erzeugt ein einheitliches Produkt. Sowohl Druckgussgehäuse als auch spritzgegossene Kunststoffgehäuse haben einen sogenannten Entformungswinkel. Die Wände des Kastens müssen leicht nach außen geneigt sein, damit das Gehäuse ordnungsgemäß aus dem Guss entfernt werden kann. Daher haben die Wände von Aluminiumdruckgussgehäusen eine Neigung von einigen Grad.

Abbildung 4: Ein dickwandiges Gehäuse aus Aluminiumdruckguss, Hammond-Artikelnummer 1590Z110. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Stranggepresstes Aluminium

Beim Strangpressen werden ebenfalls geschmolzenes Aluminium und eine Matrize verwendet, aber anstatt einen Hohlraum zu füllen, wird das stranggepresste Aluminium durch die Matrize gepresst, um eine bestimmte Form anzunehmen, wodurch sehr lange Strangpressstücke entstehen, die dann auf die richtige Größe zugeschnitten werden. Stranggepresste Aluminiumgehäuse bestehen in der Regel aus einem stranggepressten Rohr und Endkappen aus Metall oder Kunststoff. Das Strangpressen großer Stücke, die sich abschneiden lassen, ist für den Hersteller von Vorteil, da er einen Vorrat an Rohren vorrätig halten und bei Bedarf eine Vielzahl von Gehäuselängen liefern kann.

Stranggepresste Aluminiumgehäuse werden bei Hammond mit einer Eloxierung geliefert. Das Eloxieren ist ein Verfahren, das die Dicke der Oxidschicht eines Gehäuses erhöht und die Oberfläche haltbarer macht. Die Eloxierung kann in einer Vielzahl von Farben erfolgen. Einige Aluminiumlegierungen lassen sich gut eloxieren, andere nicht; während die stranggepressten Gehäuse von Hammond eloxiert werden können, ist dies bei Aluminiumdruckgussgehäusen nicht möglich; sie werden stattdessen pulverbeschichtet.

Abbildung 5: Ein stranggepresstes Aluminiumgehäuse mit blauer Eloxierung (montiert). Hammond-Artikelnummer 1455L1201BU. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Abbildung 6: Das stranggepresste Aluminiumgehäuse mit blauer Eloxierung aus Abbildung 5 ist hier zerlegt dargestellt. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Aluminiumblech

Aluminiumbleche können geschnitten und gefaltet werden, um Gehäuse und Paneele herzustellen. Im Gegensatz zu Strangpressprofilen und Matrizen, die durch die Werkzeugeigenschaften und -abmessungen begrenzt sind, können unzählige Gehäusedesigns aus gefalteten Blechen hergestellt werden. Aluminiumbleche, insbesondere dünne Bleche, halten keine außergewöhnlichen Gewichtsbelastungen aus, und es ist zu erwarten, dass sich das Blech bei Überlastung biegt oder verzieht.

Abbildung 7: Das Innere eines gefalteten Aluminiumgehäuses aus der Serie 1444 von Hammond. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Stahl

Stahl ist ein weit verbreiteter und zuverlässiger Werkstoff in vielen Branchen. Stahl ist eine Eisenlegierung (aus Eisen in Verbindung mit Kohlenstoff). Stahlbleche werden für die Konstruktion von Gehäusen und Paneelen verwendet, wobei je nach Anwendung eine Vielzahl von Stahlsorten zur Auswahl steht. Stahl ist schwerer als Aluminium und vor allem Edelstahl kann teurer sein.

Baustahl

Baustahl (Weichstahl) wird auch als „kohlenstoffarmer Stahl“ bezeichnet. Er hat einen geringeren Kohlenstoffgehalt als Standardstahl und lässt sich leichter formen und schweißen. Baustahl ist kostengünstig und vielseitig einsetzbar, oxidiert jedoch bei Witterungseinflüssen, wenn die Oberfläche nicht beschichtet wird. Aus diesem Grund sind Gehäuse aus unlegiertem Stahl mit einer Pulverbeschichtung versehen, während Gehäuse aus Edelstahl (rostfreiem Stahl) oder Aluminium naturbelassen oder mit einer geringeren Beschichtung erhältlich sind. Für die Innenwände kann natürlicher Baustahl verwendet werden, da sie nicht den Witterungseinflüssen ausgesetzt sind.

Abbildung 8: Ein Gehäuse aus Baustahl mit hellgrauer Pulverbeschichtung, Hammond-Artikelnummer ST12126LG. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Verzinkter Stahl

Verzinkter Stahl wird durch Eintauchen des Stahls in eine Zinkschicht hergestellt. Dies schützt die eisenhaltige Oberfläche des Stahls vor schneller Korrosion. Verzinkter Stahl verträgt sich nicht gut mit stark korrosiven Chemikalien oder Meeresumgebungen. Verzinkter Stahl ist ein gängiges Material für Innenverkleidungen und allgemeine gewerbliche Gehäuse für den Innenbereich. Wenn es pulverbeschichtet ist, kann es bei gemäßigten Bedingungen im Freien verwendet werden.

Edelstahl

Edelstahl (rostfreier Stahl) ist eine Eisenlegierung, die Chrom enthält und dadurch korrosionsbeständig ist. Durch die Zugabe zusätzlicher Elemente können verschiedene Edelstahlsorten erzeugt werden. Edelstahl ist rostfrei und eine Oberflächenbeschichtung ist nich notwendig. Es ist hochgradig säure-, laugen- und lösungsmittelbeständig, leistet im Außenbereich hervorragende Dienste und lässt sich leicht reinigen. Damit ist es ideal für hygienische Umgebungen wie in der Medizin oder in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo das Gehäuse häufig abgespritzt wird.

Die beiden am weitesten verbreiteten Sorten von Edelstahl sind:

• 304 - Dies ist die gebräuchlichste Sorte von Edelstahl.
• 316 - Hierbei handelt es sich um eine spezielle Sorte, die alle oben genannten Vorteile von Edelstahl bietet und dank des Elements Molybdän eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Edelstahl 316 eignet sich hervorragend für den Einsatz in Meeresumgebungen.

Abbildung 9: Ein freistehendes Gehäuse aus Edelstahl, Hammond-Artikelnummer HN4FS726036SS. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Klassifizierung und Materialien

Die Klassifizierung eines Gehäuses und sein Material gehen Hand in Hand, da Einstufungssysteme wie NEMA, UL und IP ein Gehäuse auf der Grundlage seiner Performance unter verschiedenen Bedingungen beurteilen.

NEMA - Das am weitesten verbreitete Bewertungssystem für Industrie- und Elektrogehäuse. Die NEMA-Typen beschreiben, ob das Gehäuse für den Innen- oder Außenbereich geeignet ist, ob es korrosionsbeständig ist und wie es sich gegen Gefahren wie Wasser und Schmutz verhält. Einige gängige NEMA-Typen sind:

• 12 und 13 - Verwendung in Innenräumen, mit etwas Schutz vor Schmutz und Tropfwasser
• 3R - Verwendung im Innen- oder Außenbereich, mit Schutz gegen Schmutz und nasses Wetter (Regen, Graupel, Schnee)
• 4 - Verwendung im Innen- oder Außenbereich, guter Schutz gegen Schmutz, nasses Wetter und Spritz- oder Strahlwasser
• 4X - Ähnlich wie 4, aber mit dem Zusatz der Korrosionsbeständigkeit

Abbildung 10: Eine hygienische blaue Silikondichtung kleidet die Tür eines Edelstahlgehäuses der HYW-Serie von Hammond aus. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Schutz vor eindringenden Medien (IP) - Die IP-Schutzarten werden von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) festgelegt. IP ist der typischere Ausdruck für Elektronikgehäuse, aber es gibt auch Überschneidungen zwischen IP- und NEMA-Einstufungen. Die erste Ziffer der IP-Schutzart bezieht sich auf die Staubdichtigkeit, die zweite Ziffer auf die Wasserdichtigkeit. Einige gängige IP-Bewertungen sind:

• IP54 - staubgeschützt, mit Schutz gegen Spritzwasser
• IP65 - Mindestanforderung, um als wasserdicht zu gelten, empfohlene Mindestanforderung für den Außeneinsatz, staubdicht, mit Schutz gegen Strahlwasser
• IP66 - staubdicht, mit Schutz gegen starkes Strahlwasser
• IP67 - staubdicht, mit Schutz gegen zeitweiliges Untertauchen in Wasser
• IP68 - staubdicht, mit Schutz gegen dauerndes Untertauchen in Wasser

UL-Listung - Produkte, die UL-gelistet sind, werden von unabhängigen Labors getestet. Die Gehäuse entsprechen den unter UL 508A aufgeführten Normen. Zwischen den Prüfungen darf kein Wasser eindringen, andernfalls erhält das Produkt keine UL-Listung. Andere Faktoren wie Materialbeschaffenheit, Herstellungsverfahren, UV-Beständigkeit und Entflammbarkeit werden ebenfalls berücksichtigt. Die UL-Listung ist ein wertvoller Indikator für Performance, Qualität und Sicherheit.

Abbildung 11: Ein UL-Aufkleber im Inneren eines UL-gelisteten Polycarbonat-Gehäuses, Hammond-Artikelnummer 1554C2GYCL. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Fazit

Bei der Entwicklung einer elektrischen oder elektronischen Baugruppe müssen viele Aspekte berücksichtigt werden. Wir hoffen jedoch, dass dieser Überblick über Gehäusematerialien und -klassifizierungen dazu beiträgt, die Auswahl von Gehäusen zu vereinfachen.

Ganz gleich, ob die Anwendung ein einfaches Kunststoffgehäuse für einen Handschalter oder ein robustes, rostfreies Gehäuse erfordert, das der salzhaltigen Luft auf einem Pier standhalten muss, Gehäuse sind zweifellos ein wesentlicher Bestandteil jeder Baugruppe.