11. Fachtagung Elektroisoliersysteme 2004 - ELANTAS

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11. Fachtagung Elektroisoliersysteme 2004 - ELANTAS

Einführung

Anwendung von Lackdrähten

Dr. Peter Mühlenbrock

Leiter Drahtlackentwicklung

Beck Electrical Insulation GmbH

Hamburg

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Seit 100 Jahren besteht die Firma Beck. Schon zu Beginn war ein entscheidendes

Thema die Isolation von Drähten. Bis zum heutigen Stand der Lackdrähte war es

jedoch ein weiter Weg. Noch im Jahre 1952 beschreibt Fritz Raskop in seinem Buch

„Isolierlacke“ den damaligen Stand als Zeit des Umbruchs: „Für den fortschrittlich

eingestellten Elektromaschinenbauer hat der Lackdraht schon seit vielen Jahren

einen große Bedeutung. Indessen waren die Ansichten der Fachleute über die

Zuverlässigkeit dieses Werkstoffes in Bezug auf die Herstellung von ruhenden und

umlaufenden Wicklungen im Elektromaschinenbau bisher nicht einheitlich“.

Heute, nach weiteren 50 Jahren Entwicklung und Anwendung von Lackdrähten kann

festgehalten werden, dass Kupferlackdrähte ein Schlüsselrohstoff für die industrielle

Fertigung sind. Der Umsatz, den ein Land mit Lackdrähten macht, ist eine direkte

Kennzahl für den industriellen Standard des Landes.

Das Automobil, dessen Verbreitung heute ebenfalls eine vergleichbarer Kenngröße

für den industriellen Standard darstellt, ist ebenfalls vor kurzer Zeit 100 Jahre alte

geworden. Beide Entwicklungen sind eng miteinander verzahnt, auch wenn die

Entwicklung der Lackdrähte eher im Hintergrund und nicht so spektakulär verläuft wie

oft im Bereich des Automobils.

Ein Meilenstein stellt die industrielle Fertigung des Ford T-Modells dar, der „Tin

Lizzie“, der „eisernen zuverlässigen Dienstmagd“.

Bild 1: Fords T-Modell „Tin-Lizzie“


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Das „Bordnetz“ enthielt eine 6 V Batterie, eine Schwungrad-Lichtmaschine und eine

Magnetzündung nebst den für die Beleuchtung notwendigen Verkabelungen.

Drahtisolierlacke nach heutigem Verständnis wurden nicht verwendet.

Das Automobil erlebte seit dieser Zeit eine stürmische Entwicklung, deren Ende noch

nicht abzusehen ist und die eng mit Drahtlacken verbunden ist. Thema des heutigen

Vortrages anlässlich des 100 jährigen Bestehens der Firma Beck ist eine Übersicht

und ein Ausblick über die zahlreichen Anwendungen von Drahtisolierlacken.

Zahlreiche dieser Entwicklungen und Anwendungen wurden und werden maßgeblich

durch die Firmen der Altana Electrical Insulation GmbH geprägt. Dies sind für den

Bereich Drahtlack:

- Beck Electrical Insulation GmbH (Center R&D Wire Enamel), Deutschland

- Beck India Ltd., Indien

- Deatech s.r.l., Italien

- The P.D. George Company, USA

- TongLing SIVA Insulating Materials Co. Ltd., China

- Wiedeking GmbH, Deutschland

Die folgende Übersicht gibt nur einen Teil des Produktportfolios aus dem Bereich der

Drahtlacke wieder. Außer den Anforderungen, welche durch verschiedene Standards

wie ASTM, IEC oder JIS gesetzt werden, werden zahllose und weit anspruchsvollere

Anforderungen durch unsere Kunden weltweit gesetzt und erfüllt.

Anwendungen von Drahtlacken

Drahtisolierlacke müssen die verschiedensten Anforderungen erfüllen. Dies sind

neben der elektrischen Isolation in erster Linie Anforderungen an die mechanische

und thermische Stabilität. d.h.:

- Flexibilität

- Leichte Verarbeitbarkeit / Wickelbarkeit

- Lötbarkeit

- Kratzfestigkeit

- Kompatibilität mit der Sekundärisolation

- Hohe thermische Beständigkeit

- Langzeitstabilität

- Hohe Produktivität

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden die Aktivitäten der Primär- und der

Sekundärisolation innerhalb der Altana Electrical Insulation gebündelt. Darüber

hinaus arbeiten wir mit allen namhaften Herstellern von Lackiermaschinen wie

Aumann, MAG oder SICME zusammen. So werden heute Lackiergeschwindigkeiten

von über 1500 m/min (Feinstdraht mit einem Durchmesser von 50 µm, VxD = 75)

oder von über 200 m/min (Durchmesser 0,8 mm, VxD = 150-200, Vertikale /

Horizontale Anordnung) mit Altana Wire Enamels in der regulären Produktion

erreicht.


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Um dieses Ziel unter Beibehaltung höchster Qualitätsmaßstäbe zu erreichen, werden

umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Das folgende Bild verdeutlicht sehr

anschaulich, wie ein Lackdraht aufgebaut ist.

Bild 2: Aufbau eines PEI-PAI-Lackdraht.

Sehr gut zu erkennen sind die einzelnen Schichten, die aus der Auftragung in 12

oder mehr Durchzügen resultiert. Diese Schichtstruktur verleiht dem Lackdraht seine

sehr guten Eigenschaften hinsichtlich Flexibilität und mechanischer

Beanspruchbarkeit. Ebenfalls zu erkennen sind zwei Schichten Overcoat, einem

Polyamidimid. Diese Schichten sind im Gegensatz zu dem Basecoat, einem

Polyesterimid, fest miteinander verschmolzen (Im Bild rechts oben).

Folgende Drahtlacktypen stehen für die vielfältigen Aufgaben zur Verfügung:

Polyvinylformal (Wire Enamel Klasse A):

Polyvinylformal (PVF) ist ein Kondensationsprodukt aus Formaldehyd und

hydrolysiertem Polyvinylacetat. Das Polymer enthält Vinylformal, Vinylalkohol und

Vinylacetatgruppen.

Dieser Lack zeigt eine sehr gute Haftung, eine sehr gute Beständigkeit gegen

mechanische Einflüsse und eine sehr gute Wickelfähigkeit. Typische Anwendungen

sind Motorenwicklungen und trocken- sowie ölgefüllte Transformatoren. Die sehr

gute Haftung erlaubt die Verwendung als Primer im Bereich hoher Durchmesser oder

in Flachdrahtanwendungen. Aufgrund der geringen thermischen Beständigkeit wird

dieses Produkt nur noch in geringem Umfang verwendet.


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Typische Produkte sind der Deaflex der Firma DeaTech und Formvar C 8359 der

Firma P.D. George.

Polyurethan (Wire Enamel Klasse A – H):

Polyurethane (PUR) sind in Lacke auf Basis phenol- oder kresolblockierter

Isocyanate in Kombination mit Polyestern oder Polyesterimiden. Während des

Einbrennprozesses werden die geschützten Isocyanatgruppen deblockiert und mit

dem Polyester / Polyesterimid verknüpft. Da dieser Prozeß schon bei einer relativ

geringen Temperatur von ca. 160°C vollständig verläuft und keine Kondensation oder

Umesterung im letzten Schritt wie im Fall der Polyester / Polyesterimide notwendig

ist, können mit Polyurethanen ungleich höhere Lackiergeschwindigkeiten und

Oberflächenqualitäten erreicht werden.

Die wichtigsten Anwendungsbereiche für Polyurethane ergeben sich durch die

Lötbarkeit. Dies sind kleine Motoren, Spulen und Transformatoren im Bereich der

elektronischen Anwendungen, bei denen eine sehr hohe thermische Beständigkeit

nicht notwendig ist. Polyurethane wie der Wire Enamel 1380 stehen als Lacke der

Klasse H in Konkurrenz mit den lötbaren Polyesterimiden, da sie ein vergleichbares

Eigenschaftsprofil aufweisen. Damit ist der Übergang zwischen den Polyurethanen

und den Polyestern / Polyesterimiden fließend.

Typische Produkte sind der Polyurethan 1380 der Firma Wiedeking und der Tongsold

215 der Firma TongLing Siva.

Polyamid (Wire Enamel Klasse A – B):

Nylon 6,6 als dem wichtigsten Vertreter der Polyamide (PA) entsteht durch

Kondensation von Adipinsäure mit Hexamethylendiamin. Dieser Rohstoff wird in

verschiedenen Variationen verwendet und findet unter anderem auch Verwendung

als Backlack.

Dieser Werkstoff zeigt ebenfalls eine sehr gute Wickelbarkeit, mechanische

Widerstandskraft und eine gute Lösungsmittelbeständigkeit. In der Regel wird Nylon

als Topcoat auf Polyestern, Polyesterimiden oder auf Polyurethanen verwendet, um

Gleitfähigkeit, chemische Beständigkeit oder die Hitzeschockeigenschaften zu

verbessern. Diese Systeme werden in schnellaufenden Motoren und in

Transformatorenwicklungen verwendet.

Typische Produkte sind die Versionen Nylon A bis Nylon C von P.D. George und

Deamid 454 der Firma DeaTech.

Polyester (Wire Enamel Klasse F – 200)

Polyester (PES) sind Kondensationsprodukte aus polyfunktionellen Alkoholen und

polyfunktionellen Carbonsäuren. Durch Verwendung von THEIC (tris-2-Hydroxyethyl

Isocyanurat) als dreifachem Alkohol erhält man Polyester mit hoher thermischer

Beständigkeit. Neben einer sehr guten dielektrischen Wirkung weisen diese Lacke

einen sehr hohen Wiedererweichungspunkt und eine hohe Beständigkeit gegenüber

Freon auf, d.h. diese Systeme eignen sich sehr gut für Kühlaggregate sowie

allgemein für Motoren und Transformatoren.


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Aus historischen Gründen wird dieser Lack zusammen mit einem Overcoat

(Polyamidimid) in großem Umfang in Nordamerika eingesetzt. In Europa hat sich

hingegen die Technologie auf Basis der Polyesterimide durchgesetzt.

Typische Produkte sind der Terester C 966 und der Terebec SL 225 der Firma Beck

India.

Polyesterimide (Wire Enamel Klasse H – 220)

Polyesterimide (PEI) werden analog zu den Polyestern, jedoch unter weiterer

Umsetzung mit einem aromatischen Diamin hergestellt. Das dabei entstehende

Zwischenprodukt, die Diimiddicarbonsäure, steht für die exzellente mechanische und

thermische Stabilität dieser Lackgruppe. Anders als im Fall der Polyester ist in der

Regel keine zusätzliche Beschichtung notwendig, um einen TI > 200 °C zu erreichen.

Ein Overcoat kann wie im Fall der Polyester angewendet werden, um eine zusätzlich

erhöhte Beständigkeit gegen Chemikalien, speziell die Hydrolyse durch Wasser, oder

eine verbesserte Verarbeitbarkeit zu erreichen.

Typische Produkte sind der Deatherm E 661 und der Terebec MT 533 von DeaTech.

Letzterer wird neben dem Terebec TR 543 auch von Beck India hergestellt.

Ebenfalls zu den Polyesterimden gehören die bedingt lötbaren Systeme. Diese

Systeme sind THEIC-frei und sind bei Temperaturen von 470°C lötbar.

Typische Produkte sind der Deatherm S 904 von DeaTech oder der Terasod A 357 H

von P.D. George.

Polyamidimid (Wire Enamel Klasse > 220)

Polyamidimide (PAI) werden in großem Umfang in Nordamerika in Kombination mit

Polyestern verwendet, um zum einen die thermische Beständigkeit zu erhöhen (TI >

200°C) und um die mechanische und chemische Beständigkeit zu verbessern. Eine

sehr wichtige Funktion übernehmen in diesem Fall Polyamidimide mit internem

Gleitmittel, die die Verarbeitbarkeit zusätzlich verbessern. Ebenfalls wird die

Beständigkeit des Systems gegen Lösungsmittel und gegen Freon deutlich

verbessert.

Typische Produkte sind der Deatherm I 720 von DeaTech oder der Tritherm A 981

von P.D. George.

Backlacke

Backlacke (Bondcoat, BC) werden als Topcoat auf einen Basecoat (Polyurethan oder

Polyesterimid / Polyester) im gleichen oder in einem getrennten Ofen aufgebracht.

Die wichtigste Aufgabe von Backlacken ist die dauerhafte Verbackung und

Formgebung von Wicklungen. Damit stehen diese Lacke in direktem Wettbewerb mit

Tränk- oder Vergussmassen. Ein Vorteil der Backlacke besteht in der schnellen und

einfachen Verbackung der Drähte miteinander. Nachteilig sind die im Fall der rein

thermoplastischen Systeme niedrigen Wiedererweichungstemperaturen und die in

der Regel niedrigeren Verbackungskräfte. Demgegenüber verzeichnen diese


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Systeme keinen Abtropfverlust und sind einfach und sicher in der Anwendung. Der

typische Markt dieser Systeme ist daher der Bereich für Schnelllaufende Pumpen,

Motoren und Bildschirmröhren, da in diesen Fällen keine hohe thermische

Beanspruchung auftritt. Entsprechend werden Backlacke in über 75% der

Anwendungen in einem Durchmesserbereich unter 0,40 mm verwendet.

Unter dem Begriff „Backlacke“ werden verschiedene Systeme angeboten, welche

zum Teil schon beschrieben worden sind. Allen gemein ist ein thermoplastisches

Verhalten, da der Backlack direkt nach dem Einbrennprozess nicht vernetzen darf.

Umgekehrt ist genau ein solches Verhalten nach dem Verbacken auf dem

Probekörper erwünscht, um ein „thermosetting“ zu erreichen, d.h. die Erreichung

einer höheren Wiedererweichungstemperatur als die Verbackungstemperatur.

Neueste Entwicklungen auf diesem Gebiet zeigen, dass dieses Verhalten erreicht

werden kann.

Basis: Klasse: Markt- Verwendung: Marktanteil:trend:

Polyvinylbutyral 105 2% Feindraht

Spezialanwendungen

/ Fallend

Epoxy 130 5% Flachdräte Konstant

Polyester 130 0% Nordamerika Konstant

Aliphatische PA 155 30% Kleine Motoren Steigend

Aromatische PA 180 60% Verschiedene Motoren Stark steigend

Thermosetting

bondcoat

Tabelle 1: Übersicht Backlacke

> 200 3% Für hohe thermische

Beständigkeit.

Steigend, hoher

Bedarf.

Eine neueste Entwicklung, UV-Backlacke mit einer Verbackungstemperatur von 190-

200°C, zeigen ein sehr gutes „thermosetting“, d.h. die Wiedererweichungstemperatur

liegt um bis zu 40°C höher.

Typische Produkte sind der Deamelt 380 und Bondall 1539 von DeaTech und der

Bondall 1542 der Firma Beck India.

Spezialanwendungen:

Polyimid: Polyimide (PI) haben die höchste thermische und chemische

Beständigkeit. Auf Grund des hohen Preises, der schwierigen Applikation und der

aufwendigen Verarbeitung (mechanische Entfernung notwendig) eignet sich dieses

Material in erster Linie für Spezialandwendungen, bei denen die bisher geschilderten

Systeme nicht ausreichend sind. Dies sind insbesondere Anwendungen in der

Luftfahrttechnik oder im militärischen Bereich.

Typische Produkte sind der Ultratherm von P.D. George oder der Polyimide von

DeaTech.


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Gleitmittel: Verschiedene Systeme zur externen bzw. nachträglichen Auftragung von

Gleitmitteln sind auf dem Markt. Gelöste Systeme auf Basis natürlicher oder

synthetischer Wachse haben den Vorteil einer sehr guten Dosierbarkeit, jedoch den

Nachteil eines sehr hohen Lösungsmittelanteils (>98%), welcher erheblich zur VOC-

Belastung beiträgt. Aktuelle lösungsmittelfreie Systeme haben dagegen den Nachteil

einer schlechten Dosierbarkeit, womit im Fall einer Über- oder Unterdosierung der

gewünschte Effekt verloren geht. Daher werden spezielle Gleitmittel als interne als

interne Gleitmittel in Polyamidimiden und in Backlacken angewendet, um die

Verarbeitung dieser Systeme zu vereinfachen.

Typische Systeme wie Lubricant 848 von DeaTech oder Lubricant B 3691 der Firma

P.D. George basieren auf Paraffin-Wachsen oder im Fall der Dealube-Typen auf

synthetischen Gleitmitteln.

In der Übersicht ergeben sich folgende typische Anwendungen:

Auto- Haus- Multi- Motor / Elektro KraftLicht- Luftf./

motive Halt media Transf. Mediz. werketechnik Militär

PVF x x

PUR X x x x

PA X x x x x

PES X x x x x x x

PEI X x

PAI X x x x x x x x

BC x x

Other X x x x x x x x

Tabelle 2: Übersicht Anwendungen von Drahtlacken.

Der Verbrauch von ca. 55.000 MT an Drahtlacken in Europa stellt sich für das Jahr

2003 wie folgt dar:

Transformatoren

20%

Industrieantriebe

5%

Kraftwerktechnik

15%

Handwerk

3%

Multimedia

2%

Automotive

15%

Kompressoren

15%

Haushalt

25%

Bild 2: Verbrauch an Drahtlacken und Aufteilung nach Verwendung in Europa, 2003.


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Ein sehr schönes Beispiel für die Anwendungsvielfalt und für das Potential der

Drahtlacke zeigt das letzte Bild. Auch wenn noch nicht alle Zweifel für den

„fortschrittlich eingestellten Elektromaschinenbauer“ ausgeräumt sein mögen, zeigt

dieses Beispiel doch die „rasante“ Entwicklung seit der Vorstellung der „Tin Lizzie“,

die ohne die stetige Entwicklung der Drahtlacke nicht möglich gewesen wäre.

Bild 3: Anwendung von Lackdrähten im Bereich Automotive.

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