Wenn Sie schon einmal ein Elektronikteil in der Hand gehalten haben, das einen Sturz von der Werkbank überstanden hat, die Elektronik unter der Motorhaube eines Autos, die Schlaglöchern und Temperaturschwankungen standhält, oder sogar eine Luft- und Raumfahrtkomponente, die durch turbulente Luft geflogen ist, haben Sie Vibrationsdämpfung bei der Arbeit erlebt. Die meisten Menschen denken nicht daran, dass das leise Arbeitstier diese Haltbarkeit ermöglicht, aber für Ingenieure, die für Umgebungen mit hohen Vibrationen konstruieren, ist Komponentensilikon weit mehr als nur ein Dichtungsmittel oder Füllstoff – es ist das Rückgrat eines zuverlässigen Vibrationsmanagements. Als Zulieferer von Komponentensilikonen mit jahrzehntelanger Erfahrung in der Unterstützung von Branchen von der Automobilindustrie bis hin zu Industriesteuerungen habe ich aus erster Hand gesehen, wie dieses Material andere Optionen übertrifft, aber nur, wenn man versteht, wie sich seine einzigartigen Eigenschaften in der realen Vibrationsdämpfungsleistung niederschlagen.
Lassen Sie uns zunächst erläutern, warum Vibrationen ein so kritisches Problem für elektronische und mechanische Komponenten darstellen. Vibrationen – sei es durch Straßenlärm, Motorbetrieb oder atmosphärische Turbulenzen – erzeugen zyklische Belastungen für winzige Lötstellen, empfindliche Sensoren und Leiterplatten. Im Laufe der Zeit führt diese Belastung zu Ermüdungsversagen: Lotrisse, Steckverbinder lockern sich und Sensoren richten sich nicht richtig aus, selbst wenn die Komponente nie überhitzt oder nass wird. Hier kommen schwingungsdämpfende Materialien ins Spiel: Ihre Aufgabe besteht darin, die zyklische Energie zu absorbieren, sie in eine kleine Wärmemenge umzuwandeln und zu verhindern, dass sie empfindliche Teile beschädigt. Komponentensilikon ist aufgrund seiner molekularen Struktur hierfür besonders geeignet: lange, flexible Silikonpolymerketten, die sich dehnen und neu orientieren können, ohne zu brechen, gepaart mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur (Tg), was bedeutet, dass es auch unter kalten Bedingungen flexibel bleibt, wo andere Materialien aushärten und reißen.
Vergleichen wir das mit gängigen alternativen Materialien, um dies ins rechte Licht zu rücken. Epoxidharze zum Beispiel sind steif und bieten eine gute strukturelle Unterstützung, aber ihre hohe Tg führt dazu, dass sie bei Minustemperaturen spröde werden und sich genau dann als schlechter Vibrationsdämpfer erweisen, wenn Geräte wie landwirtschaftliche Maschinen oder Geländefahrzeuge im Winter arbeiten. Urethane sind etwas flexibler als Epoxidharze, können sich jedoch durch UV-Einwirkung oder hohe Temperaturen (wie die 120 °C-Umgebung unter der Motorhaube, denen viele Automobilkomponenten ausgesetzt sind) verschlechtern, was mit der Zeit zu einem Verlust der Dämpfungsleistung führt. Komponentensilikon hingegen behält bei vielen Formulierungen seine Flexibilität über einen Temperaturbereich von -60 °C bis 200 °C, was genau der Bereich ist, in dem die meisten vibrationsintensiven Anwendungen eingesetzt werden.
Kommen wir nun zu den spezifischen Leistungskennzahlen, die für die Schwingungsdämpfung wichtig sind. Die Schlüsselzahl hier ist der Verlustfaktor (tan δ), der die Fähigkeit eines Materials misst, Schwingungsenergie abzuleiten. Ein tan δ-Wert über 0,1 bedeutet, dass ein Material wirksam dämpft; Werte über 0,3 bedeuten eine hohe Wirksamkeit. Die meisten Komponentensilikone zur Vibrationsdämpfung haben über ihren Betriebstemperaturbereich einen tan δ zwischen 0,2 und 0,5, der sowohl Epoxidharze (typischerweise tan δ < 0,1) als auch viele spezielle Urethan-Vibrationsdämpfungsmaterialien (die bei extremen Temperaturen oft unter 0,1 fallen) übertrifft. Das heißt, wenn ein mit Komponentensilikon vergossenes oder versiegeltes Bauteil Vibrationen ausgesetzt wird, absorbiert es 20–50 % dieser zyklischen Energie, anstatt sie direkt auf die Innenteile übertragen zu lassen.
Aber es kommt nicht nur auf den Tan δ der Masse an – auch die Art und Weise, wie das Silikon aufgetragen wird, macht einen großen Unterschied. Zweikomponentige Silikonvergussmassen beispielsweise härten zu einer gleichmäßigen, spannungsfreien Schicht um Bauteile aus, die sich ideal für die Verkapselung von Leiterplatten eignet, die einen vollständigen Vibrationsschutz benötigen. UnserSO-820 Silikon-Vergussmasse | UL 94 V-0 RTV-Verkapselungsmaterial Taiwanist speziell dafür formuliert: Es hat einen tan δ von 0,35 bei Raumtemperatur, härtet ohne Schrumpfen aus (ein großes Plus, denn Schrumpfen erzeugt innere Spannungen, die zum Ausfall von Bauteilen führen können) und erfüllt die Flammwidrigkeit UL 94 V-0 für Anwendungen, bei denen der Brandschutz eine Rolle spielt. Ich habe mit einem Automobilhersteller zusammengearbeitet, der für seine Motorsteuergeräte (ECUs) von Epoxidverguss auf SO-820 umgestiegen ist und innerhalb von 18 Monaten einen Rückgang der vibrationsbedingten Ausfälle im Feld um 70 % festgestellt hat. Der Grund? Die Flexibilität des Silikons passte besser zum Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Leiterplattenmaterialien als Epoxidharz. Wenn sich das Steuergerät während des Betriebs erwärmte und abkühlte, bewegte es sich mit der Platine, anstatt die Lötstellen zu belasten – und absorbierte gleichzeitig Straßen- und Motorvibrationen, die andernfalls zu Rissen in den Verbindungen führen würden.
Für Anwendungen, die keine vollständige Kapselung erfordern, wie zum Beispiel das Abdichten von Sensoren oder Steckverbindern, sind einkomponentige RTV-Silikone oft die bessere Wahl. UnserElektronisches Alkoxy-Silikondichtmittel Rtv-1Härtet bei Kontakt mit Feuchtigkeit aus, wodurch es leicht vor Ort oder während der Montage aufgetragen werden kann, und hat einen tan δ von 0,28 bei -40 °C bis 150 °C. Ich erinnere mich an einen Kunden aus der Landmaschinenindustrie, der Probleme mit den Vibrationen von Traktormotoren hatte, deren Geschwindigkeitssensoren sich lösten. Sie verwendeten einen Allzweckkleber, der innerhalb eines Monats zu einer festen Schicht aushärtete und den Sensor verschob. Durch den Wechsel zu unserem RTV-1-Alkoxy-Silikondichtmittel bewegte sich der Sensor leicht mit der Vibration, während die Dämpfungseigenschaften des Silikons das hochfrequente Motorgeräusch absorbierten, das die Befestigung lockerte. Sie meldeten nach der Umstellung keinerlei vibrationsbedingte Sensorausfälle, wodurch sie in einer einzigen Erntesaison über 20.000 US-Dollar an Garantieansprüchen einsparten.
Eine weitere häufige vibrationsintensive Anwendung ist die Elektronik im Motorraum und in der Karosserie von Kraftfahrzeugen. Weiße Wärmeübertragungs-Silikondichtstoffe für die Automobilindustrie haben einen doppelten Zweck: Sie dichten ab, leiten Wärme ab und dämpfen Vibrationen. UnserWeißes Wärmeübertragungs-Silikondichtmittel für die Automobilindustriehat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,8 W/mK (viel höher als herkömmliche Silikondichtstoffe, die etwa 0,2 W/mK betragen) und einen tan δ von 0,3 über den typischen Temperaturbereich unter der Motorhaube. Für Batteriemanagementsysteme (BMS) von Elektrofahrzeugen, bei denen die Module Straßenvibrationen ausgesetzt sind und eine konstante Temperatur haben müssen, ist dieses Dichtmittel perfekt: Es verbindet die Batteriemodule mit dem Chassis, absorbiert die Vibrationen, die die Modulverbindungen ermüden würden, und leitet die beim Laden und Entladen entstehende Wärme ab. Wir haben mit einem Startup-Hersteller von Elektrofahrzeugen zusammengearbeitet, der dieses Dichtmittel auf seinen BMS-Modulen mit dem Urethanprodukt eines Mitbewerbers getestet hat. Nach 1.000 Stunden Vibrationstest bei 10 g (ein Standard für Automobilkomponenten) hatte das Urethan des Mitbewerbers Mikrorisse entwickelt, die das Eindringen von Feuchtigkeit ermöglichten, während unser Silikondichtstoff keine Anzeichen von Rissen zeigte und seine Dämpfungseigenschaften beibehielt.
Allerdings sind nicht alle Komponentensilikone hinsichtlich der Schwingungsdämpfung gleich. Bei der Auswahl des richtigen Materials für Ihre Anwendung sind einige Schlüsselfaktoren zu beachten. Erstens: Aushärtegeschwindigkeit: Wenn Sie Teile schnell verarbeiten müssen, ist ein Zweikomponentensystem wie unseres hilfreich2-teilige elektrische Silikon-Vergussmassedas bei Raumtemperatur in 15–30 Minuten aushärtet, ist besser als ein langsam aushärtendes Einkomponentensystem. Wenn Sie vor Ort reparieren oder große Teile anbringen, ist ein einteiliges System wie unseres hilfreichEinkomponentiger Silikondichtstoffdass eine Aushärtung innerhalb von 24 Stunden praktischer sein könnte. Zweitens, Temperaturbereich: Wenn Ihre Anwendung extremer Kälte oder Hitze ausgesetzt ist, stellen Sie sicher, dass die Tg des Silikons unter der niedrigsten Betriebstemperatur und über der höchsten liegt. Viele minderwertige Komponentensilikone haben Tg-Werte um -20 °C, was bedeutet, dass sie bei Temperaturen darunter steif werden und ihre Dämpfungsfähigkeit verlieren. Alle unsere vibrationsorientierten Formulierungen haben Tg-Werte unter -50 °C, sodass sie auch in arktischen oder hochgelegenen Umgebungen flexibel bleiben.
Ein weiterer Faktor, der oft übersehen wird, ist die Haftung. Ein Schwingungsdämpfer funktioniert nur, wenn er ordnungsgemäß mit den zu schützenden Bauteilen verbunden ist. Wenn sich das Silikon von der Leiterplatte oder dem Gehäuse löst, kann es keine Energie mehr absorbieren, was zum gleichen Fehler führt, als ob überhaupt kein Dämpfer vorhanden wäre. Aus diesem Grund sind alle unsere Komponentensilikone mit Haftvermittlern formuliert, die auf gängige Substrate wie FR-4-Leiterplatten, Aluminiumgehäuse und Kunststoffgehäuse zugeschnitten sind. Wir bieten auch Richtlinien zur Oberflächenbehandlung an, um eine ordnungsgemäße Verbindung sicherzustellen, denn selbst das beste Material funktioniert nicht, wenn es falsch aufgetragen wird.
Ich habe Projekte gesehen, bei denen Ingenieure auf ein Silikon mit höherem tan δ umgestiegen sind, aber dennoch Vibrationsausfälle hatten, weil sie die Oberfläche nicht richtig vorbereitet hatten, was nach einigen Monaten der Verwendung zu einer Delaminierung führte. Es ist ein einfacher Schritt, aber er macht einen großen Unterschied in der Leistung in der Praxis.
Sprechen wir auch über die Langzeithaltbarkeit, denn Vibrationsdämpfung ist keine einmalige Sache. Viele Materialien verlieren mit der Zeit aufgrund von Umwelteinflüssen ihre Dämpfungseigenschaften: UV-Licht, Chemikalien oder Temperaturwechsel. Komponentensilikon, insbesondere unsere speziell formulierten Typen, weist eine hervorragende Beständigkeit gegenüber diesen Faktoren auf. Beispielsweise wurde die Silikon-Vergussmasse SO-820 10 Jahre lang im Freien getestet und behält immer noch 90 % ihres ursprünglichen tan δ. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen wie industrielle Schalttafeln an abgelegenen Standorten oder landwirtschaftliche Geräte, die Staub, Feuchtigkeit und UV-Strahlung durch Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Ein Kunde aus der Bergbauindustrie verwendete unsere zweiteilige elektrische Silikonvergussmasse für Sensoren in Bohrgeräten, die bei Temperaturen von -10 °C bis 80 °C arbeiten und ständigen hochfrequenten Vibrationen ausgesetzt sind. Nach drei Jahren im Feldeinsatz betrug die Ausfallrate dieser Sensoren weniger als 0,5 %, verglichen mit 12 %, wenn sie eine Urethan-Vergussmasse verwendeten, die sich durch Staub und Hitze verschlechterte.
Jetzt möchte ich transparent machen, bei welchen Komponenten Silikon möglicherweise nicht die beste Wahl ist. Wenn Sie eine feste strukturelle Verbindung benötigen oder in Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen über 200 °C arbeiten (hier eignen sich keramikgefüllte Epoxidharze oder Metalllegierungen besser), ist die Silikonkomponente möglicherweise nicht die richtige Lösung. Aber für 90 % der vibrationsintensiven Anwendungen – Automobilelektronik, Industriesteuerungen, Luft- und Raumfahrtkomponenten, landwirtschaftliche Geräte und sogar Unterhaltungselektronik wie Smartphones, die regelmäßig fallen gelassen werden – ist es die zuverlässigste und kostengünstigste Option. Die Vorabkosten mögen etwas höher sein als bei Epoxidharzen oder allgemeinen Klebstoffen, aber die langfristigen Einsparungen durch geringere Garantieansprüche, weniger Feldausfälle und eine längere Lebensdauer der Komponenten machen die Investition durchaus lohnenswert.
Wenn Sie an einem Projekt arbeiten, bei dem Vibrationen ein Problem darstellen, oder wenn Sie Ihre aktuelle Dämpfungslösung verbessern möchten, empfehle ich Ihnen, sich an unser Team zu wenden. Wir haben Hunderten von Kunden aus allen Branchen dabei geholfen, das richtige Komponentensilikon für ihre spezifischen Vibrations-, Temperatur- und Anwendungsanforderungen auszuwählen, und wir können maßgeschneiderte Formulierungen, Testunterstützung und technische Beratung bereitstellen, um sicherzustellen, dass Ihre Komponenten auch unter härtesten Bedingungen zuverlässig bleiben.
Referenzen
- Landrock, AH (1995).Handbuch zur Klebstofftechnologie(2. Aufl.). William Andrew Publishing.
- ASTM D4065 – 21, Standardtestmethode für Kunststoffe: Dynamische mechanische Eigenschaften: Zug, Biegung und Schlag bei Temperaturen über und unter Raumtemperatur. ASTM International.
- Society of Automotive Engineers (SAE) J1455, Standardtestmethode für Umwelttests von elektronischen Transportgeräten.
- Silva, MF, et al. (2005). Schwingungsdämpfungseigenschaften silikonbasierter Verbundwerkstoffe für Automobilanwendungen.Polymerprüfung, 24(7), 884–890.