Verteidigungsstandards erfüllen: Auswahl zuverlässiger Druckgussgehäuse für militärische Anwendungen
SCHUTZ FÜR IHRE ELEKTRONIK IM MILITÄRISCHEN EINSATZ
Wenn Sie Elektronik für den militärischen Fronteinsatz entwickeln, ist ein Aluminium-Druckgussgehäuse weit mehr als nur eine Umhausung. Es bildet eine strukturelle, thermische, elektromagnetische und umgebungsbedingte Schutzbarriere zwischen Ihren elektronischen Schaltungen und extremen äußeren Einflüssen, die zu Beschädigungen führen können.
Unabhängig davon, ob Ihr Gerät in einem Challenger-2-Kampfpanzer, einem Zerstörer der Type-45-Klasse oder als tragbares Gerät bei einem Infanteristen unter extremen Regenbedingungen eingesetzt wird, spielt das Gehäuse eine entscheidende Rolle für die Überlebensfähigkeit Ihrer Elektronik, ihre Einsatzverfügbarkeit und die gesamten Lebenszykluskosten.
In diesem Blogbeitrag erfahren Sie:
- welche Eigenschaften hochwertige Aluminium-Druckgussgehäuse für militärische Anwendungen auszeichnen
- welche Normen und Standards tatsächlich relevant sind
- welche Merkmale zuverlässige Ausrüstung von Geräten unterscheiden, die letztlich ungenutzt im Lager verbleiben
VIBRATIONEN ENTGEGENWIRKEN
Es liegt nahe anzunehmen, dass ein in einem Fahrzeug montiertes elektronisches Gerät weitgehend geschützt ist. Doch das Gegenteil ist der Fall: Schwere Kettenfahrzeuge erzeugen breitbandige Vibrationen mit erheblichen Schwingungsanteilen unterhalb von 200 Hz sowie starken höherfrequenten Anteilen, die durch das Aufschlagen der Kettenglieder und harmonische Motorschwingungen entstehen.
Radfahrzeuge sind dabei keineswegs geringeren Belastungen ausgesetzt, sondern lediglich anderen. Hier dominieren Schwingungsanregungen durch Reifen und Antriebsstrang, die durch Stoßbelastungen beim Überfahren von Schlaglöchern und Bordsteinkanten ergänzt werden. Das Gehäuse muss diese Belastungen so aufnehmen und übertragen, dass die daraus resultierenden mechanischen Beanspruchungen für Leiterplatten, Lötverbindungen und Steckverbinder innerhalb zulässiger Grenzen bleiben.
Bei britischen Verteidigungsprogrammen erfolgt die Qualifizierung anhand von Umweltprüfungen, die sich an den Stoß- und Vibrationsprüfungen des US-Verteidigungsministeriums gemäß MIL-STD-810H orientieren und häufig auch die anspruchsvollen Anforderungen der DEF STAN 00-35 berücksichtigen.
Werden Ihre elektronischen Geräte auf Schiffen eingesetzt, sind zusätzliche Anforderungen gemäß MIL-STD-167-1A für Vibrationsprüfungen und MIL-DTL-901E für mittlere und hohe Stoßbelastungen zu erwarten. Diese Prüfungen orientieren sich an den tatsächlichen Belastungen in Maschinenräumen und durch Unterwasserexplosionen. Ein Gehäuse, das im CAD-Modell zunächst überdimensioniert erscheint, erweist sich nach der ersten Schockprüfung auf einem Zerstörer häufig als genau richtig ausgelegt.
DIE RICHTIGE IP-SCHUTZART WÄHLEN
Neben der Robustheit ist eine zuverlässige Abdichtung gegen Umwelteinflüsse die zweite unverzichtbare Anforderung an Elektronik für militärische Anwendungen. Die Geräte müssen regelmäßig Belastungen durch Schwebstaub, Dieselnebel und Salznebel standhalten. Gehäuse werden mit Feuerwehrschläuchen abgespritzt und sind häufig über längere Zeit extremer Hitze oder Kälte bei rauen Witterungsbedingungen ausgesetzt.
Die Schutzart IP67 ist eine sinnvolle Mindestanforderung für die meisten Gehäuse in Landfahrzeugen. IP68 wird zunehmend für Einsatzumgebungen gefordert, in denen mit einem Untertauchen in mehr als einem Meter Wassertiefe zu rechnen ist. IP69K wird für Gehäuse empfohlen, die regelmäßig einer Hochdruckreinigung mit Wasserstrahlen unterzogen werden.
Das Erreichen und dauerhafte Aufrechterhalten dieser IP-Schutzarten ist jedoch komplexer als die bloße Auswahl einer Dichtung. Die Dichtfläche des Druckgussgehäuses muss eben und durchgehend sein, eine definierte Oberflächenbeschaffenheit aufweisen und eine ausreichende Breite für die gewählte Dichtung bieten. Der Gehäusedeckel muss ausreichend stabil sein, um auch nach wiederholten Temperaturwechseln eine ausreichende Dichtungskompression sicherzustellen.
Die Premium-Gehäuse der Serie aluDOOR von ROLEC (siehe Abbildung oben) verfügen über robuste, integrierte Scharniere und erfüllen die Schutzarten IP66, IP67, IP68 und IP69K. Dieses innovative Gehäuse wurde mit dem German Innovation Award ausgezeichnet.
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EMV-ABSCHIRMUNG UNTER RAUEN EINSATZBEDINGUNGEN AUFRECHTERHALTEN
Eine wirksame EMV-Abschirmung ist auf dem modernen, hochtechnisierten Gefechtsfeld unerlässlich. Für die Abdichtung gegen Umwelteinflüsse sollte ein separater, parallel ausgeführter Dichtungsweg vorgesehen werden, damit nicht ein einziges Material über Jahre hinweg zwei unterschiedliche Funktionen erfüllen muss. Entscheidend ist, wie gut die mechanische Konstruktion die Einhaltung der MIL-STD-461G sowie der umfassenderen Anforderungen an elektromagnetische Umgebungseinflüsse gemäß MIL-STD-464C unterstützt.
Galvanische Elementbildung stellt ein erhebliches Risiko dar: Verbindungselemente aus Edelstahl, die in Aluminium eingeschraubt werden, benötigen eine elektrische Isolierung oder geeignete Oberflächenbehandlungen und Schmiermittel. Leitfähige Dichtungen sollten mit der Aluminiumlegierung und der Oberflächenbeschichtung kompatibel sein, um galvanische Korrosion zu vermeiden, insbesondere bei maritimen Anwendungen. Die Gehäuseserien conFORM und conTROL von ROLEC verfügen beide über eine integrierte EMV-Abschirmung – ohne dass eine separate (und in der Regel empfindliche) EMV-Dichtung erforderlich ist. Beide Gehäuseserien erfüllen die Schutzarten IP66, IP67 und NEMA 4.
conFORM verfügt über eine flache, glatte Oberseite (siehe Abbildung oben).
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conTROL verfügt über eine tief eingelassene Oberseite zum Schutz von Bedienelementen (siehe Abbildung oben).
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IN DER HITZE (UND KÄLTE) DES GEFECHTS
Das Wärmemanagement ist der dritte entscheidende Aspekt. Aluminium verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Diese ist jedoch nur dann von Vorteil, wenn ein Wärmeübertragungsweg mit geringem thermischem Widerstand von den Wärmequellen zu den Gehäusewänden oder zum Gehäuseboden und weiter an die Umgebung gewährleistet ist.
In einem Panzerturm mit direkter Sonneneinstrahlung und minimaler Konvektion muss davon ausgegangen werden, dass die äußere Gehäuseoberfläche heißer sein kann als das Gehäuseinnere. Erwägen Sie den Einsatz eines internen Wärmeverteilers oder einer integrierten Grundplatte. Verwenden Sie anpassungsfähige, wärmeleitende Spaltfüllmaterialien, um den thermischen Kontakt zwischen den Komponenten und dem Gehäusedeckel oder -boden herzustellen, und arbeiten Sie wärmeverteilende Kontaktflächen mechanisch in das Druckgussteil ein.
Der Einsatz externer Kühlrippen mag zunächst naheliegend erscheinen, ist jedoch mit Vorsicht zu betrachten. Bei Geländeeinsätzen können sich diese durch Schmutz zusetzen. Bei Schiffselektronik in Maschinenräumen können Kühlrippen zudem Abtropfstellen bei Leckagen oberhalb der Geräte bilden. Berücksichtigen Sie außerdem den Einfluss von Lackierungen. Marinebeschichtungen oder chemikalienbeständige Schutzbeschichtungen (Chemical Agent Resistant Coating, CARC) an Militärfahrzeugen können den thermischen Widerstand erhöhen. Dies muss bei der Analyse der Wärmeübertragungswege berücksichtigt werden.
AUSWAHL DER GEEIGNETEN ALUMINIUMLEGIERUNGEN
Die Wahl des Werkstoffs und der Oberflächenbehandlung kann darüber entscheiden, ob ein Gehäuse lediglich fünf Jahre oder zwei Jahrzehnte übersteht. Im Aluminium-Druckguss ist LM24/A380 eine bewährte Standardlegierung, die sich durch hohe Festigkeit und gute Gießbarkeit auszeichnet. LM6/A413 bietet eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und wird daher häufig für maritime Anwendungen oder für Geräte gewählt, die aggressiven Auftausalzen ausgesetzt sind, wie sie auf Flugplätzen und in Bahnumschlaganlagen verwendet werden.
Wenn über einen großen Temperaturbereich hinweg bestimmte mechanische Eigenschaften erforderlich sind – beispielsweise bei einem an Deck montierten Antennenabstimmgerät, das nördlich des Polarkreises überwintern muss –, sollten eine aushärtbare Aluminiumlegierung und eine anschließende T6-Wärmebehandlung nach dem Gießen in Betracht gezogen werden. Dabei sind jedoch die Maßstabilität und die Porosität zu berücksichtigen.
Bei den Oberflächenbehandlungen werden sechswertige Chromat-Konversionsschichten aus gutem Grund zunehmend nicht mehr eingesetzt. Wählen Sie stattdessen eine Konversionsbeschichtung auf Basis dreiwertigen Chroms gemäß MIL-DTL-5541 Typ II, Klasse 3 oder ein gleichwertiges RoHS-konformes Verfahren. Dadurch entstehen unter Lackierungen und an EMV-Kontaktstellen elektrisch leitfähige Kontaktflächen mit geringem Übergangswiderstand.
Hartanodisieren gemäß MIL-A-8625 Typ III bietet einen hervorragenden Verschleiß- und Korrosionsschutz, weist jedoch eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf. Wenn sowohl Verschleißschutz als auch EMV-Abschirmung erforderlich sind, können elektrische Kontaktbereiche während der Oberflächenbehandlung abgedeckt oder die Kontaktflächen zusätzlich mit einer dünnen, chemisch abgeschiedenen Nickelschicht versehen werden.
Die Deckbeschichtungen müssen auf den jeweiligen Anwendungsbereich abgestimmt sein: CARC-Beschichtungssysteme für Landfahrzeuge, zugelassene Marine-Lacksysteme für den Einsatz an Bord von Schiffen und UV-beständige Pulverbeschichtungen für tragbare Geräte, die dauerhaft im Außenbereich eingesetzt werden. Verlassen Sie sich bei der EMV-Abschirmung nicht auf Lackierungen als elektrisch leitfähigen Kontaktweg und erwarten Sie nicht, dass eine Beschichtung eine mangelhafte Oberflächenqualität des Gussteils ausgleichen kann. Die besten EMV-Kontaktstellen bestehen aus blanken, sauberen Metalloberflächen unter der Dichtung.
ZUVERLÄSSIGKEIT UNTER EXTREMEN EINSATZBEDINGUNGEN
Bedenken Sie, dass Geräte möglicherweise unter extremen Witterungsbedingungen ausgetauscht werden müssen. Daher empfiehlt es sich, Gehäuse zu wählen, die eine Montage bei geschlossenem Deckel ermöglichen. So können die Gehäuse montiert oder demontiert werden, ohne die Schutzabdichtung zu beeinträchtigen.
Auf Marineschiffen sollten alle Gehäusedeckel mit Scharnieren oder Haltebändern ausgestattet sein, um zu verhindern, dass wichtige Bauteile in den Bilgen verschwinden. Teilenummern, zulässige Anzugsdrehmomente und Austauschintervalle für Dichtungen sollten direkt in das Gehäuse eingegossen, eingraviert oder per Laserbeschriftung aufgebracht werden. So bleiben diese Informationen auch dann erhalten, wenn die zugehörigen Handbücher während des Einsatzes verloren gehen.
Das Kabelmanagement sollte von Anfang an Bestandteil der Gehäusekonstruktion sein und nicht erst nachträglich berücksichtigt werden. Ein hochwertiges Druckgussgehäuse sollte über Kabeleinführungen verfügen, die so angeordnet sind, dass zu enge Biegeradien vermieden werden. Integrierte Kabelhalterungen oder Klemmen sollten die Steckverbindergehäuse von mechanischen Zugbelastungen der Kabel entlasten. Zudem sollten Leistungs- und Signalleitungen so geführt werden, dass elektromagnetische Kopplungen minimiert werden.
In einem Funkgeräteeinschub eines Fahrzeugs kann Ihr Gerät unmittelbar neben Hochleistungsverstärkern montiert sein. Daher sollte der Stromversorgungseingang möglichst weit entfernt von der empfindlichen HF-Eingangsstufe angeordnet werden. Erwägen Sie außerdem den Einsatz eines Zweikammergehäuses (siehe Abbildung oben) wie aluTWIN (IP66, IP67), das durch eine innenliegende Trennwand zusätzlichen Schutz bietet.
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Planen Sie den Anschluss des Geflechtschirms direkt am Steckverbindergehäuse oder unmittelbar außerhalb der rückseitigen Steckverbinderabdeckung und sehen Sie einen Erdungsbolzen vor, der gemäß dem Potenzialausgleichskonzept der Fahrzeugplattform mit der Fahrzeugmasse verbunden wird. Bei vielen Militärfahrzeugen unterliegen Potenzialausgleich und Erdung festgelegten Vorgaben und werden regelmäßig überprüft. Einen Anschlusspunkt für ein Erdungsband bereits in der CAD-Konstruktion vorzusehen, ist schneller und kostengünstiger, als diesen später vor Ort durch Bohren nachzurüsten.
ROBUSTE HANDGEHÄUSE FÜR SERVICEPERSONAL
Bei tragbaren Geräten verschieben sich die Prioritäten hinsichtlich ihrer Gewichtung, nicht jedoch grundsätzlich. Ein Handbediengerät oder Prüfgerät, das von einem Soldaten mitgeführt wird, muss möglicherweise Stürze, die ständige Handhabung mit nassen Händen oder Handschuhen sowie unerwartete Torsionsbelastungen überstehen, beispielsweise wenn es improvisiert als Hebelwerkzeug verwendet wird.
Aluminium-Druckguss ist auch für Handgehäuse eine hervorragende Wahl, wobei Ergonomie und Stoßbelastbarkeit entscheidend sind. Wählen Sie ein Gehäuse mit abgerundeten Ecken und Wandstärken, die ausreichend dimensioniert sind, um einen sicheren Gewindeeingriff und eine Verteilung der Stoßenergie zu gewährleisten. In weniger kritischen Bereichen sollten Materialaussparungen vorgesehen werden, um das Gewicht zu reduzieren.
Auch bei der Abdichtung ist IP67 ein sinnvolles Ziel. Bedenken Sie jedoch, dass tragbare Geräte häufigen Batteriewechseln, wiederholten Steckvorgängen an Anschlüssen und regelmäßigen Reinigungen der Displayabdeckungen ausgesetzt sind. Beachten Sie außerdem, dass die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht geringer werden, nur weil ein Gerät tragbar ist. Elektrisch leitfähige Verbindungen über die Gehäusetrennfugen hinweg sind weiterhin erforderlich. Zudem sollten leitfähige Beschichtungen oder Konversionsschichten unter der Deckbeschichtung vorgesehen werden.
Bei Geräten mit Displays sollten Sie auf ein Gehäuse mit einer ausreichend tiefen Vertiefung achten. Eine hervorstehende Glaskante kann bereits beim ersten Kontakt mit einem Gerätegestell abplatzen. Fall- und Funktionsschockprüfungen gemäß MIL-STD-810H, Methode 516, bleiben der maßgebliche Prüfmaßstab. Testen Sie das Gerät mit Anwendern, die Handschuhe tragen, und auf rauen Oberflächen – nicht ausschließlich auf Gummimatten unter Laborbedingungen.
Die Auswahl der Steckverbinder und Bedienelemente ist bei Handgeräten wichtiger als bei allen anderen Gerätearten. Wählen Sie taktile Bedienelemente, die auch mit Kälteschutzhandschuhen bedient werden können und innerhalb angegossener Schutzelemente liegen. Sehen Sie vertieft angeordnete Lade- und Datenanschlüsse vor und ziehen Sie magnetische Pogo-Pin-Kontaktlösungen hinter abgedichteten Abdeckungen in Betracht, sofern der Anwendungsfall dies zulässt.
Die Gewichtsverteilung wird durch die Gusskonstruktion und den inneren Geräteaufbau bestimmt. Leiterplatten und Displays sollten so befestigt werden, dass der Massenschwerpunkt in der Nähe des Griffbereichs und nicht am vorderen Geräteende liegt. Dadurch kann der Anwender das Gerät auch bei schneller Fortbewegung über unebenes Gelände stabil halten.
Konstruieren Sie Ihr Gerät schließlich für die vorgesehene Lebensdauer – und berücksichtigen Sie auch eine möglicherweise längere Nutzung. Einige Armeefahrzeuge, Kriegsschiffe und Hilfsschiffe der Marine bleiben unter Umständen wesentlich länger im Einsatz als ursprünglich geplant. Das Gehäuse Ihres Geräts wird möglicherweise häufiger geöffnet und wieder abgedichtet als vorgesehen. Ersatzdichtungen werden unter Umständen während eines Sandsturms eingesetzt und Befestigungsschrauben mit Schlagschraubern angezogen. Kennzeichnen Sie alle relevanten Komponenten eindeutig. Bringen Sie ausreichend große QR-Codes an, die einen schnellen Zugriff auf das technische Handbuch ermöglichen, und positionieren Sie den Erdungsanschluss so, dass ein Techniker ihn auch unter Zeitdruck oder feindlichem Beschuss erreichen kann.
ROLEC-GEHÄUSE FÜR MILITÄRELEKTRONIK
Als erfahrener Gehäusespezialist mit einer langen Tradition innovativer Entwicklungen kann ROLEC kundenspezifische Gehäuse liefern, die höchsten militärischen Standards entsprechen.
Zu den Optionen gehören hochwitterungsbeständige Pulverbeschichtungen (F9) mit WIWeB-Zulassungen sowie Tarnbeschichtungen für militärische Anwendungen. Das hochwertige Polyesterpulver 5936 ist in den Standardfarben RAL 6031-F9 Bronzegrün, RAL 1039-F9 Sandbeige, RAL 8027-F9 Lederbraun und RAL 9021-F9 Teerschwarz erhältlich.
Diese Farben bieten eine hervorragende Tarnwirkung im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich. Sie sind sowohl als Pulverbeschichtung als auch als Nasslackierung erhältlich und erfüllen sämtliche militärischen Anforderungen – einschließlich der Verteidigungsgerätenorm VG 95211.
KUNDENSPEZIFISCHE ANPASSUNGSMÖGLICHKEITEN FÜR MILITÄRISCHE ANWENDUNGEN ENTDECKEN >>
ROLEC liefert Gehäuse, die exakt an Ihre individuellen Anforderungen angepasst sind. Das Leistungsspektrum umfasst CNC-Bearbeitung, Gravuren, Laserbearbeitung, Pulverbeschichtung, Lackierung, Digitaldruck, Siebdruck, EMV-Abschirmung, transparente Sichtfenster für Displays sowie die Montage von Zubehörkomponenten.
ROLEC BEARBEITUNGS- UND VEREDELUNGSSERVICE ENTDECKEN >>
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