CNC-Bearbeitung und Spritzguss für die Herstellung von mechanischen Teilen in der Elektronikindustrie

CNC-Bearbeitung und Spritzguss sind die prominenten Optionen für die Herstellung von mechanischen Teilen für die Elektronikindustrie, wobei beide ihre Vor- und Nachteile mit sich bringen. Die CNC-Bearbeitung bietet dabei Präzision als auch Flexibilität bei der Herstellung kundenspezifisch gefertigter Teile mit kurzen Vorlaufzeiten, während der Spritzguss sich seiner Effizienz und Skalierbarkeit rühmen kann. Die Feinheiten der beiden Verfahren zu verstehen, was die Materialkompatibilität, die Designflexibilität und die Produktionskapazitäten einschließt, erlaubt es den Ingenieuren und Produktentwicklern das optimale Fertigungsverfahren auszuwählen.

Lison Deham

Senior Key Account Manager für Frankreich

Im Laufe der letzten zehn Jahre hatte ich die Gelegenheit, mit den verschiedensten Kunden im Bereich der Elektronikindustrie zusammenzuarbeiten, und dabei eine Reihe der verschiedensten Projekte anzugehen und dabei eine ganze Bandbreite an Verfahren einzusetzen. Dieser Artikel, der in Zusammenarbeit mit unseren Ingenieuren geschrieben wurde, fokussieren wir uns auf die mechanischen Teile in der Elektronikindustrie, die unter Verwendung der CNC-Bearbeitung oder des Spritzgusses hergestellt werden. Diese stellen die populärste Wahl, insbesondere für die mittlere bis Großserienfertigung von Teilen für die Herstellung von elektronischen Endkundengeräten dar.

Wir hoffen, dass wir Ihnen wertvolle Einblicke in die wichtigsten Entscheidungen gewähren können, die beim Entwurf von mechanischen Teilen für die besonderen Bedürfnisse im Elektronikbereich zu treffen sind.

Warum sollten Sie die CNC-Bearbeitung für die Elektronik wählen?

Die Wahl des passenden Fertigungsverfahrens hängt sehr stark von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel der Komplexität des Entwurfs oder dem beabsichtigten Produktionsvolumen. Am wichtigsten bleibt dabei jedoch, dass die Funktionalität und Verlässlichkeit des Elektrogerätes gewährleistet werden kann, weshalb eine hochpräzise Fertigung so entscheidend ist. Bauteile wie zum Beispiel Metallgehäuse, Steckverbinder oder Kühlkörper erfordern sehr präzise Toleranzen, um perfekt in die elektronischen Baugruppen zu passen. Das bedeutet, dass sehr enge Fertigungstoleranzen und eine hohe Wiederholbarkeit des Verfahrens entscheidend sind.

Die CNC-Bearbeitung ist ein Verfahren, das es uns erlaubt, die besten Toleranzen zu erreichen und mit einer schier unendlichen Menge an Materialien zu arbeiten (weil man eigentlich nur einen Block oder eine Stange des Materials benötigt). Das erlaubt es uns, Produkte zu entwerfen, die sehr gut an die Umgebung angepasst sind, in der sie eingesetzt werden.

Während zum Beispiel die Blechfertigung ideal für die Produktion kosteneffektiver Teile mit konstanter Dicke ist, die zudem geschnitten oder gebogen werden können, neigt dieses Verfahren jedoch dazu, weniger präzise zu sein. Die für die Blechfertigung verfügbaren Materialien sind jedoch in ähnlicher Form für die CNC-Bearbeitung verfügbar, womit die Materialeigenschaften und Oberflächeneigenschaften, die wir später näher betrachten, auch auf ein Blech anzuwenden sind.

Elektromagnetische Verträglichkeit der CNC-Bearbeitung von Teilen wie Steckverbindern oder Kühlkörpern

Die Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Geräten ist wichtig. Das bedeutet, dass Geräte wie Steckverbinder oder kleine Kupferteile so gestaltet sein müssen, dass sie weder elektromagnetische Interferenzen verursachen noch empfänglich für diese seitens anderer Geräte sein dürfen. In der Praxis bedeutet das, dass eine elektromagnetische Abschirmung stattfinden muss, die beinhaltet, dass zum Beispiel das Elektrogerät in ein elektrisch leitfähiges Material wie Stahl oder Aluminium eingeschlossen ist, um elektromagnetische Wellen zu blockieren. Dies kann sowohl durch Zerspanung, z.B. in der CNC-Bearbeitung, als auch in der Blechbearbeitung erfolgen. Eine andere Option stellt eine leitfähige Beschichtung dar, die auf die Teile aufgebracht wird und zum Beispiel mit einer leitfähigen Nickelbeschichtung realisierbar wäre.

Materialien für die CNC-Bearbeitung in der Elektronik

Komplexe tragende Elemente können aus einer Vielzahl von Materialien in Abhängigkeit von spezifischen Ansprüche der Anwendungen und Umgebungen gefertigt werden. Im Allgemeinen nutzt man in der Elektronikindustrie, wo die Teile unterschiedliche Funktionen haben, Materialien mit einer Kombination aus mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften.

So ist zum Beispiel Aluminium in diesem Fall in einer 6061er-Legierung als Kühlkörper nützlich. Dennoch kann der Bedarf nach isolierenden Eigenschaften mit Polymeren (Kunststoffen) wie ABS, POM (Delrin/Acetal) oder Polyamide (Nylon) gestillt werden, die alle typischen Standardmaterialien darstellen. PEEK hingegen ist deutlich teurer und steif, obwohl es deutlich isolierende Eigenschaften hat.

Die folgende Tabelle vergleicht die Eigenschaften der am häufigsten verwendeten Metalle in der CNC-Bearbeitung für die Elektronikindustrie.

Oberflächen aus der CNC-Bearbeitung für ästhetische Teile wie Hüllen und Gehäuse

Die für die Elektronik geeigneten Oberflächenveredelungen werden hauptsächlich auf Metalle angewendet. Kunststoffe werden häufig eher aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften genutzt und erfahren deshalb seltener bis nie eine Nachbearbeitung. Einige dieser Oberflächenveredelungen können die Dicke des Teiles leicht erhöhen, so wie es sowohl bei der Pulverbeschichtung als auch beim Eloxieren auftritt. Im Gegensatz dazu kann die Elektropolitur die Dicke leicht verringern. Deshalb ist es so wichtig, dass die gewünschten Toleranzen für die Nachbearbeitung bereits im Entwurf spezifiziert werden, damit diese bei der Herstellung des Teil in Betracht gezogen werden können.

Dies sind die drei Kategorien der Oberflächenveredelungen:

• Veredelungen ohne chemische Reaktionen
• Veredelung mit chemischer Reaktion, aber ohne Elektrolyse
• Veredelung mit einer elektrolytisch-chemischen Reaktion

Die Elektrolyse beinhaltet dabei einen elektrischen Strom, der eine chemische Reaktion verursacht, die ohne diesen Strom nicht auftreten würde. Um dies zu ermöglichen, werden die Teile in eine leitfähige Flüssigkeit eingetaucht und an einen Pluspol angeschlossen. Diese Teile agieren als sogenannte Anoden, die im Verlauf des Prozesses Elektronen verlieren. Die Elektrolyse forciert dann die Oxidation dieser Teile, was somit die gewünschte chemische Reaktion bedingt.

Elektropolitur

Chemisches Vernickeln

Passivierung

Eloxieren

Perlenstrahlen

Warum sollte man den Spritzguss für Elektronik wählen?

Der Spritzguss ist aufgrund seiner vielen Vorteile ein beliebtes Fertigungsverfahren für hochwertige, einheitliche und kostengünstige Kunststoffteile wie man sie für Gehäuse, Buchsen oder Komponentenhalterungen benötigt:

• Wettbewerbsfähige Kosten in der Massenproduktion: Sobald die Form erst einmal hergestellt wurde, sind die Kosten für ein Teil sehr gering, und werden mit steigendem Produktionsvolumen noch niedriger. Dies macht es zu einer wirtschaftlich tragbaren Option beim Entwurf eines elektronischen Gerätes für die Massenproduktion.
• Konsistenz und Reproduzierbarkeit: Sobald der Werkzeug- bzw. Formenbau abgeschlossen ist, kann die Form zur Produktion identischer Teile verwendet werden. In der Regel wird die Eignung des Werkzeugs für mehrere zehn- bis hunderttausende oder gar Millionen Teile garantiert. Die exzellente Reproduzierbarkeit der Teile stellt eine einheitliche Qualität während der Lebenszeit des Produkts sicher, während auch „Familienformen“ eine Option darstellen. In einem solchen Fall werden in einer Form gleich mehrere Teile auf einmal produziert, wie zum Beispiel bei der linken und rechten Hälfte eines Gehäuses. Diese Methode erlaubt es, dass die Baugruppen und somit die Montage auch im Laufe der Zeit konsistent bleiben.
• Maßhaltigkeit: Der Spritzguss kann sehr hohe Toleranzen einhalten und somit der Komplexität der Entwürfe von elektronischen Geräten gerecht werden. Man kann sie für die Herstellung von Teilen in allen Größen einsetzen, aber insbesondere für sehr kleine Teile mit feinen Details, die aber dennoch mit hervorragender Oberflächengüte hergestellt werden. Dies oft dann interessant, wenn Teile nicht nur ihre intrinsische Funktionalität, sondern auch ein bestimmtes ästhetisches Erscheinungsbild erfordern.

Es ist dennoch wichtig, die Einschränkungen in Betracht zu ziehen, die mit dem Werkzeug in Verbindung stehen, insbesondere wenn es um die Entfernung des Teils aus der Form geht. Um ein optimales Ergebnis im Spritzguss zu erzielen, muss zudem die Dicke des Teils relativ konstant bleiben (i.d.R. maximal um die 3 mm) mit dünneren Innenrippen, die ungefähr halb so dick sind. Deshalb muss ein Entwurf speziell für den Spritzguss angepasst werden, was wiederum die Freiheit des Entwurfs im Vergleich zur Fertigung per CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck einschränkt.

Spezifische Entwürfe für Gehäuse aus dem Kunststoffspritzguss

Baugruppen im Endprodukt

Die Vorwegnahme der Bedürfnisse der Montage elektronischer Produkte ist bereits in der Entwurfsphase möglich. Für Baugruppen, die ziemlich dem allgemeinen Standard entsprechen, können kleine Vorsprünge in den Teilen vorgesehen werden, damit dann selbstschneidende Schrauben, insbesondere zur Befestigung von Platinen, angebracht werden können. Es ist zudem leicht, Clipsysteme zu integrieren, die sehr gut im Spritzguss funktionieren.

Umspritzen im Spritzguss

Es gibt verschiedene Optionen für das Umspritzen im Spritzguss:

• So schafft das Hinzufügen von metallische Einsätzen mit vorgeschnittenen Gewinden effektive Möglichkeiten für die Befestigung anderer Komponenten. Diese Methode ist insbesondere dann nützlich, wenn das Produkt wiederholt zusammen- und auseinandergebaut werden muss, und auf diesem Weg eine, im Vergleich zu selbstschneidenden Schrauben in Kunststoffvorsprüngen oder -buchsen, deutlich optimierte Haltbarkeit gewährleistet wird.
• Andere Arten von Metallteilen, wie zum Beispiel Kupferlaschen, können ebenfalls umspritzt werden. Auf diesem Weg können kleine elektronische Verbindungselemente sehr genau positioniert werden. In diesem Fall besteht der Zweck des Umspritzens darin, die elektronischen Komponenten und / oder Kabel zu schützen und zu versiegeln, und somit ihre Integrität und Haltbarkeit zu gewährleisten.
• Die Bi-Material- oder auch Zweikomponentenumspritzung bietet viele Möglichkeiten, insbesondere dann, wenn ein festes Teil mit einem flexiblen Teil kombiniert wird. Mit diesem Ansatz reduziert man die Zahl der erforderlichen Montageschritte, und spart somit Zeit und Geld im Gesamten Konstruktionsprozess. Darüber hinaus kann es zudem die Wasserfestigkeit und Wasserdichtigkeit eines Produkts bzw. seines Gehäuses verbessern und es gegen Staub, Druck und Feuchtigkeit schützen. Es ist zudem möglich, sogenannte Softbuttons in einen Bereich des Gehäuses zu integrieren. Die Effektivität des Umspritzens hängt dabei hauptsächlich vom Entwurf des Teils ab. So ist zum Beispiel die mechanische Verbindung zweier Kunststoffe möglich, aber auch eine chemische Verbindung. In diesem Fall wäre die Wahl des Materials entscheidend, denn nicht alle Materialien sind mit allen Optionen kompatibel.

Ultraschallschweißen

Aus Sicht der Konstruktion sind geschweißte Baugruppen – insbesondere jene, die das Ultraschallschweißen nutzen (auch bekannt als Vibrationsschweißen) – zunehmend für Teile aus dem Spritzguss interessant. Dabei ist es in der Regel notwendig, das Teil so zu entwerfen, als wäre die Schweißraupe bereits vorhanden (und würde nicht erst beim Schweißen entstehen). Das Verfahren an sich ist dabei sehr hilfreich, um solide Verbindungen ohne Schäden an den Bauteilen herzustellen. Darüber hinaus erlaubt es, ähnlich wie beim Umspritzen, zwei Komponenten dauerhaft zu versiegeln.

Spritzgussmaterialien für Bauteile wie Steckverbinder oder Halterungen für Elektronikteile

Es steht Ihnen, je nach elektronischer Anwendung und zu erwartenden Umweltbedingungen, eine große Auswahl an Materialien für Ihre Spritzgussprojekte zur Verfügung. Elektronische Geräte benötigen oft isolierende und hitzebeständige Materialien um einen optimalen und sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Es folgen einige Beispiele für häufig eingesetzte Materialien:

• ABS und Nylon (PA 6 und PA 66) werden häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, da sie sowohl vielseitig als auch kostengünstig sind.
• Polycarbonat (PC) wird oft bevorzugt, wenn Transparenz erforderlich ist, wobei es noch weitere gute technisch relevante Eigenschaften bietet.
• Elastomere wie TPE und TPV werden verwendet, um Flexibilität und Stoßfestigkeit zu bieten, während die Materialien unterschiedliche Shore A – Härten haben.
• Materialien wie PPS oder PEEK bieten einerseits exzellente Hitze- und Feuerbeständigkeit, und andererseits ausgezeichnete mechanische Eigenschaften.

Die folgende Tabelle vergleicht die mechanischen und thermischen Eigenschaften populärer Spritzgussmaterialien:

Die Auswahl des Materials hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab, ganz egal ob es um mechanische Eigenschaften, Hitzebeständigkeit, Transparenz oder andere Eigenschaften geht.

Oberflächenveredelung für Spritzguss in der Elektronik

Es gibt einige Unterschiede im Vergleich zur CNC-Bearbeitung, bei der es das Ziel der vorherig genannten Veredelungen der Metallteile ist, die Charakteristiken der Teile (wie z.B. die Korrosionsbeständigkeit) durch Nachbearbeitung zu verbessern. Im Spritzguss hat der Kunststoff bereits die gewünschten Eigenschaften. Dementsprechend sollte ein Lack eher vermieden werden, da dieser abplatzen und somit sogar die Entflammbarkeit des Teils verändern könnte.

Dennoch ist es, je nach gewünschter Oberflächenrauigkeit möglich, verschiedene Oberflächenveredelungen aus ästhetischen Gründen oder zur Vereinfachung des Zusammenbaus zu realisieren. Die Gussform kann bereits vor der Herstellung eines Teils so gestaltet werden, dass sie Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit und -güte nehmen kann, und man orientiert sich dabei in der Regel an SPI- oder VDI-Standards. Mit dieser Methode erfolgt die Oberflächenveredelung eines Teils also bereits im Formenbau und nicht in Nachbearbeitungsschritten. Hier ist es jedoch wichtig zu wissen, dass nicht alle Materialien die gleichen Ergebnisse im Hinblick auf die Oberflächengüte erreichen.

SPI-Oberflächenveredelung im Spritzguss

VDI-Oberflächenveredelung im Spritzguss

Dennoch gibt es natürlich auch bestimmte Nachbearbeitungsverfahren, die häufig im Spritzguss eingesetzt werden, um zum Beispiel im Bereich der Elektronik die Position von Knöpfen zu markieren oder ein Logo aufzubringen. Darüber hinaus sind auch verschiedene Arten der Nachbearbeitung zum Zwecke des Brandings möglich:

• Tampondruck: Ein indirektes Photogravurverfahren mit dem hochdetaillierte, hochwertige Bilder auf Objekte mit unebenen Oberflächen und Formen aufgetragen werden. Dieses Verfahren ist oft großen Produktionsvolumina vorenthalten.
• Siebdruck: Dies ist der führende Ansatz für elektronische Platinen, die Komponenten aufnehmen sollen. Eine Metallfolie wird dabei als Schablone verwendet, um die Lötpaste gezielt aufzutragen und leitfähige Teile der gedruckten Schaltung zu unterscheiden. 
• EUV (Extremes Ultraviolet) Litographie: Dieses Verfahren erlaubt den Druck in unterschiedlichen Farben (in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften des Kunststoffs). Durch extreme UV-Strahlung werden hier extrem feine Muster auf Siliziumplatten erzeugt.

Spezielle Materialien für die Elektronik

Materialien mit UL 94-Einstufung

Die Entflammbarkeit ist oft eines der wichtigsten Kriterien im Bereich der Elektronik. Materialien werden in der Regel nach der Norm UL 94 geprüft. Diese Norm bewertet das Verhalten eines Kunststoffes im Fall einer Verbrennung unter Berücksichtigung der horizontalen und vertikalen Ausrichtung sowie der Dicke, und reicht von am wenigsten flammhemmend bis hin zu am flammhemmendsten. Ist zum Beispiel ein Material nach UL-04 V0 eingestuft, so muss die Dicke angegeben werden (z.B. 2mm). Die Dicke muss dann eingehalten werden, um von der V0-Einstufung der flammhemmenden Eigenschaft profitieren zu können.

Außerdem ist es empfehlenswert, sich an die klassischen Farben zu halten. Es ist dabei sinnvoller, mit einem Material zu beginnen, das bereits V-0 Schwarz oder V-0 Weiß ist, statt eine exotischere Farbe zu wählen oder ein Masterbatch zu verwenden. Der zugesetzte Anteil an Farbstoffen kann nicht nur die Eigenschaften des Teils verändern, sondern es ist mit V-0 Materialien auch deutlich schwieriger einen genauen Farbton zu erreichen, als es mit einem herkömmlichen Material wäre.

Erst bei sehr großen Serien ist es möglich bzw. sinnvoll eine spezifische Farbe zu verwenden, indem beim Hersteller ein kundenspezifisches Material geordert wird, das bereits in der gesamten Masse eingefärbt und nach V-0 eingestuft wurde.

Die folgende Tabelle enthält eine List von UL 94 V-0 eingestuften Materialien für die CNC-Bearbeitung und den Spritzguss:

ESD-Materialien

ESD (ElectroStatic Discharge – elektrostatisch ableitende) Materialien sind entscheidend für die Produktion von mechanischen Teilen in der Elektronik, insbesondere aber im Spritzguss. Sie schützen vor potentiell schädlichen elektrostatischen Entladungen. Durch den Einsatz elektrostatisch ableitender (wie ESD-Varienten von PVDF, PA 6, PP, PE) oder zerstreuender Polymere (wie ESD-Varianten von PEI oder POM – was eindeutig im Datenblatt angegeben sein muss), leitet man elektrostatische Ladungen von empfindlichen elektronischen Bauteilen weg. Somit reduziert man das Risiko eines Defekts eines elektronischen Gerätes und stellt somit Verlässlichkeit und Haltbarkeit sicher.

Darüber hinaus bieten diese Materialien oft überlegene mechanische und thermische Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit, wodurch sie sich auch für anspruchsvolle elektronische Anwendungen eignen. Kurz gesagt, sie stellen die Qualität und Langlebigkeit eines mechanischen Bauteils sicher, und verlängern somit die Lebensdauer eines elektronischen Geräts.

Fasern

Es ist wichtig zu bedenken, dass bei der Verwendung von fasergefüllten Materialien (wie die glasgefüllten Varianten von Nylon, PBT und PPS) ein größeres Risiko von Verformungen im Spritzgussprozess besteht. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn genaue Toleranzen und Ebenheit erforderlich ist. Deshalb ist es in diesem Zusammenhang entscheidend, die Gestaltung des Einspritzpunktes vorauszusehen. Im Zweifelsfall müssen sogar rheologische Untersuchungen durchgeführt werden, um das Verhalten des Materials besser zu verstehen. Wir empfehlen daher eine eher große Zahl an stützenden Rippen in den Entwurf zu integrieren, um die Risiken eine Deformation oder Instabilität zu vermindern. Dies verhindert, dass sich die Teile verformen oder einknicken.

Lison Deham

Senior Key Account Manager für Frankreich

Die in Blockform für den Spritzguss verfügbaren Materialien können zudem zerspant bzw. maschinell bearbeitet werden. Es kann also in manchen Situationen hilfreich sein, als erste Schritte im Prototypenbau oder der Massenproduktion zuerst die CNC-Bearbeitung zu nutzen, bevor die große Investition in den Werkzeugbau für den Spritzguss getätigt wird.

Praktische Tipps für die Bestellung von Teilen für die Elektronik

Es folgen 6 praktische Tipps, mit denen Sie Ihre Projekt-Timeline verbessern und häufig gemachte Fehler bei der Erstellung mechanischer Teile für die Elektronik vermeiden können.

• Erstellen Sie zusätzlich zum 3D-CAD-Modell einen 2D-Plan mit so vielen Details wie möglich. Die 2D-Zeichnung muss alle kritischen Abmessungen basierend auf den erforderlichen Toleranzen enthalten. Wir empfehlen auch, eher die Details der endgültigen Produktmontage und nicht des Einzelteils mitzuteilen. Der Hersteller kann das Werkzeug bzw. die Form dann im Hinblick auf das Gesamtbild entwerfen.
• Denken Sie daran, dass das Werkzeug im Spritzguss modifiziert werden kann. Es empfiehlt sich somit zum Beispiel ein Teil erst einmal mit etwas feineren Rippen zu gestalten. Falls es dann erforderlich sein sollte, weil die Bereiche zum Beispiel nicht die erforderlichen Toleranzen einhalten, kann das Werkzeug nachbearbeitet werden, und die Rippen verbreitert werden. (Indem Material aus der Form entfernt wird. Andersherum ist dies nur schwer bis gar nicht möglich.)
• Geben Sie die Materialgüte an (z.B. die Art der Legierung des Metalls, seine Vorbehandlung), um die richtige Wahl auf Grundlage der erforderlichen Eigenschaften sicherzustellen. So gibt es das Material ABS zum Beispiel von verschiedenen Marken und in verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie zum Beispiel einer UL 94 – Einstufung. Dementsprechend ist die Angabe von detaillierten Informationen über das erforderliche Material sehr zu empfehlen.
• Vermeiden Sie fasergefüllte Materialien, wenn die Toleranzen sehr eng sind, um die Maßhaltigkeit und Dimensionsstabilität zu bewahren.
• Wählen Sie bei Einsatz von flammhemmenden (UL 94 V0) Materialien generische Farben, um die Materialeigenschaften nicht zu beeinträchtigen.
• Vermeiden Sie Lacke, damit die Entflammbarkeit nicht beeinträchtigt wird.

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• Kundenspezifische CNC-bearbeitete Teile, um veraltete Maschinen zu aktualisieren und ihre Leistung zu verbessern (Devitech)
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• Dockingstation für ein Videobuch aus dem Spritzguss (memperience)

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