Systemtechnische Analyse und Automation (Optimieren) des Herstellungsprozesses von verzinnten und blanken Kupferlitzen

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1 Systemtechnische Analyse und Automation (Optimieren) des Herstellungsprozesses von verzinnten und blanken Kupferlitzen Im Rahmen der Bachelor Thesis mit der Firma Huber+Suhner AG in Pfäffikon konnten Erkenntnisse im Bereich der Drahtherstellung gewonnen werden. Die umfangreichen Analysen des bestehenden Produktionsablaufs und dessen Drahtprodukte sollen aufzeigen, weshalb Abrieb an den Produktionsmaschinen entsteht. Mittels Tests konnten Messwerte erstellt und Vermutungen verifiziert oder falsifiziert werden. Marc Hux Abbildung 1: Mittelzug: Drahtverjüngung Ausgangslage und Auftrag Unsere Gesellschaft nutzt vermehrt sichere Energie- und Signalübertragungskanäle zwischen Büros, Häusern, Städten und Ländern, sogar ganze Kontinente werden miteinander verbunden. Um die Verbindung auch in anspruchsvollen Umgebungen wie grosser Hitze / Kälte oder mechanischen Belastungen zu garantieren, werden Komponenten und Systemlösungen zur elektrischen und optischen Übertragung von Daten und Energie von Huber+Suhner entwickelt und produziert. Mit Kabeln, Verbindern, Systemen und Antennen aus den Technologiebereichen Hochfrequenz, Fiberoptik und Niederfrequenz bedient das Unternehmen Kunden in den Märkten Kommunikation, Transport

2 und Industrie. Für die hochwertigen und robusten Kabelsysteme werden in Pfäffikon ZH Litzen hergestellt. Als Rohstoff dient ein reiner Kupferdraht mit einem Durchmesser von 8 mm. Dieser wird durch mehrere Umformschritte auf rund mm Durchmesser gezogen. Anschliessend wird dieser Draht verzinnt, was ihm die silberne Farbe verleiht. 10 % bleiben blank und werden ohne Verzinnung weiterverarbeitet. Danach wird er auf seinen gewünschten Durchmesser gezogen. Die dünnsten Drähte weisen einen Durchmesser von mm auf. Bei den Ziehvorgängen entstehen hohe mechanische Einwirkungen auf den Kupferdraht, welche ihn stark beanspruchen und abnutzen. Neben den Transformationen wird der Draht über Keramikführungen kontrolliert durch die Prozesse geführt. Bei den beiden soeben beschriebenen Verfahren entsteht je nach Arbeitsvorgang mehr oder weniger Abrieb. Dies äussert sich in pulverförmigen kupfer- und zinnhaltigen Ablagerungen entlang der Produktionsmaschinen oder an den Drahtführungen. Falls die Rückstände nicht von Zeit zu Zeit entfernt werden, verfestigen sich diese und bilden harte Ecken. Infolgedessen kann der laufende Draht an solchen Stellen abreissen und die Produktion zum Stehen bringen. Die Ursache dieses Abriebes wurde untersucht und aufgrund dessen Lösungsansätze formuliert. Der gesamte Produktionsablauf ist in der Abbildung 2 dargestellt. In diesem Fachartikel werden die konkreten Resultate aus Geheimhaltungsgründen nicht erwähnt. Abbildung 2: Produktionsablauf Vorgehen Durch die Analyse der einzelnen Prozessabläufe konnten die Problemzonen erkannt werden. Umfangreiche Tests und mikroskopische Aufnahmen zeigten die Auswirkungen verschiedener Belastungen auf die Drahtoberfläche. Anhand von gezielt aufgebrachten mechanischen Kräften und den prozessbedingten Abriebsmengen konnten konkrete Aussagen zum Abrieb und dessen Entstehung erstellt werden. Des Weiteren wurden Lösungsvorschläge ausgearbeitet, um den Abrieb zu verringern. Abschliessend konnten Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die Produktion von Litzen formuliert werden.

3 Rasterelektronenmikroskopie Um Aussagen über die Beschädigungen am Draht oder der Litze zu machen, konnte im Labor des Instituts für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) mittels einem Rasterelektronenmikroskop (REM) die Oberflächen von ganz nah betrachten werden. Allgemein zu sagen ist, dass das Rasterelektronenmikroskop nur eine elektrisch leitende Probe untersuchen kann. Dabei werden hochbeschleunigte Elektronen auf die Probe geschossen, welche in der Oberfläche die primären Elektronen wiederum reflektiert und sekundäre Elektronen emittiert. Diese Teilchen können mit dem REM detektiert werden. Daraus lässt sich dann auf die Oberflächenstruktur (SE oder BSE) oder die Zusammensetzung des Materials (EDX) schliessen. Die Abbildung 4 zeigt beispielsweise die Darstellung von feinstem Zinnabrieb. Durch die nahen Aufnahmen konnten Rillen, Furchen, Risse oder Schleifspuren entdeckt werden, was Aussagen über die Entstehung und dessen Folgen machen lässt. In der Abbildung 5 sind Schleifspuren mit einem Zinnspan zu sehen. Hier ist nicht sicher, ob der Span einfach auf dem Draht liegen geblieben ist, sich gerade vom Draht ablöst oder ob er bereits ganz gelöst ist und nun bei weiteren Beanspruchungen abbrechen würde. Solche spannenden Fragen konnten anhand der Bilder in Kombination mit den Prozessabläufen geklärt werden. Die Abbildung 3 zeigt einen Probenhalter, welcher mit verschiedenen Drahtproben bestückt ist. Die schwarzen Bereiche sind Haftflächen, damit die Drähte starr untersucht werden können. Abbildung 4: Zinnabrieb Abbildung 3: Probenhalter REM Abbildung 5: Schleifspur mit Zinnspan

4 Zinnabrieb und Umlenkungen Während die Drähte über die Führungsösen laufen, wird ständig Abrieb produziert. Anhand nachfolgenden Bildern wurde eine Stelle auf die Umlenkungswinkel untersucht. Die Abbildung 6 zeigt die Situation vor der Beanspruchung und die Abbildung 7 dieselbe Stelle nach 2 Stunden. Der rechteste Draht wird dabei am meisten umgelenkt. Nach links wird der Winkel immer kleiner. Bereits nach dieser Zeitspanne ist Abrieb zu verzeichnen. Die Vermutung liegt nahe, dass bei der grössten Umlenkung auch am meisten Abrieb produziert wird. Auffallend ist jedoch, dass die rechteste Öse nicht am meisten Abrieb produziert. Die linken zeigen einen grössen Zinnabrieb. Dass allenfalls der Zinnabrieb an der rechtesten Stelle bereits nach unten gefallen ist, kann mit der Abbildung 8 nicht bestätigt werden. Erklärungen weshalb die Annahme und die Praxis nicht übereinstimmen, ist zum einen die Oberflächenbeschaffenheit der einzelnen Ösen. Diese können anders sein und gröbere Zinnreste enthalten. Zudem ist der Reibungsort an der Öse unterschiedlich. Zum anderen liegt es am Draht selbst. Dieser ist vielleicht nicht zur selben Zeit produziert worden und weist somit eine andere Oberflächenstruktur auf. Abbildung 6: Umlenkwinkel vorher Abbildung 7: Umlenkwinkel nachher

5 Abbildung 8: Umlenkwinkel Ablage Temperaturuntersuchung Durch die nachfolgende These geleitet, wurde eine Temperaturuntersuchung durchgeführt. Wenn der Draht die Öse passiert, entsteht an den Reibungsflächen (Keramiköse - Draht) viel Wärme, was eine lokale Aufschmelzung am Draht verursacht. Somit wird die Oberfläche beschädigt und nachfolgend Abrieb produziert. Der Schmelzpunkt von Zinn liegt bei C. Die Wärmebildkamera überprüft die Wärmestrahlung der zu untersuchenden Oberflächen. Der Emissionsgrad konnte nicht richtig eingestellt werden, da bei den Aufnahmen starke Spiegelungen auftraten. Der Emissionsgrad von Zinn und Kupfer liegt zwischen 0.04 und Bei der Einstellung dieser Werte, schnellten die Temperaturwerte in die Höhe. Plötzlich wurde die Temperatur des Drahtes mit über 100 C angeben. Es gibt zu viele Abstrahlungen von anderen Materialien. Dies geschieht durch die relativ glatten und glänzenden Oberflächen. Somit kann nicht genau gesagt werden, wie viel Strahlung nur vom Draht selbst ausgeht und wie viel von auswärts kommt. Um doch noch anschauliche Bilder zu erstellen, wurde der Standartwert von 0.9 eingestellt. In der Abbildung 9 können leichte Temperaturunterschiede zwischen den aktiven und passiven Ösen entdeckt werden. Aktiv bedeutet, dass ein Draht hindurch fliesst. Der Unterschied von 0.4 C ist aber viel zu klein um eine Aufschmelzung zu generieren. Dieser Unterschied würde sich mit einem anderen Emissionsgradwert nicht verändern, denn beide gemessenen Temperaturwerte würden sich gleichmässig verändern. Abbildung 9: Wärmebild Öse

6 Eine Wärmebildkamera ist eher geeignet um grössere Übersichtsbilder zu erstellen. Dabei kann erkannt werden, in welchen Bereichen der Prozess warm oder kalt ist. In der Abbildung 10 wird eine gesamte Verlitzmaschine gezeigt. Abbildung 10: Wärmebild Verlitzmaschine Versuch an Verlitzmaschine Bei einem Test wurden insgesamt 7 Einzeldrähte mit einem Durchmesser von mm auf einer Produktionsmaschine verlitzt. Ziel dieses Test war es, den Unterschied zwischen einem speziellen Rollenkreuz und einem Keramikösenstern aufzuzeigen. Der Versuch wurde an 2 Tagen durchgeführt. Pro Tag wurden jeweils 30'000 m Litze hergestellt. Für den Versuch wurden unter den möglichen Abriebsstellen Auffangbehälter montiert, um den Abrieb aufzufangen und anschliessend auszuwerten. Vor dem Start wurden die Keramikösen der Abwickleranlage mit Luftdruck gesäubert. Nach den 30'000 m wurden die Auffangbehälter sorgfältig entfernt und anschliessend im FHNW Labor gewogen. Die Resultate zeigten für die meisten Abriebsstellen die zu erwartenden Abriebe. Im Grundsatz konnten durch Rollen die Abriebsmengen verringert werden. Einzig bei einer Umlenkung wurden sehr unterschiedliche Mengen festgestellt. Wie stark die leicht veränderten Winkel eine Rolle spielen, muss durch Wiederholungen des Tests gezeigt werden. Mittels Messwerten wie Bruchdehnung, Leiterwiderstand und Durchmesser konnten die Litzen miteinander verglichen werden. Da die Messwerte relativ nahe beieinander liegen, konnte keine exakte Aussage erstellt werden. Weitere verschiedene Belastungstests würden neue Erkenntnisse liefern, um sie den bisherigen Messwerte gegenüber zu stellen. Diplomand: Auftraggeber: Betreuer: Marc Hux Huber+Suhner AG Prof. Dr. Roland Anderegg, Leiter Institut für Automation FHNW, roland.anderegg@fhnw.ch