Anschlusstechnik So wird das Steckverbinder-Portfolio von Phoenix Contact bleifrei

Von Jörg Zenkner

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Unzählige Materialien wurden getestet und Produktionsprozesse völlig neu gedacht – mit dem Ziel ein bleifreies Rundsteckverbinder-Portfolio anbieten zu können. So ging Phoenix Contact dabei vor.

In einem langjährigen Technologieprojekt testete Phoenix Contact unzählige Legierungen.
In einem langjährigen Technologieprojekt testete Phoenix Contact unzählige Legierungen.
(Bild: Phoenix Contact )

„Bleifrei“ zu produzieren, gilt als eine der größten Herausforderungen der metallverarbeitenden Industrie der vergangenen 50 Jahre: Phoenix Contact fühlte sich schon früh verpflichtet, Blei zu reduzieren, um Gesundheit und Umwelt zu schützen. Dahinter steht das Ziel, einen wertvollen Beitrag für mehr Lebensqualität zu leisten. Das Unternehmen testete dafür Dutzende unterschiedliche Materialien und viele hausinterne Produktionsprozesse, um sich zukunftssicher aufzustellen.

Nicht nur aus Kraftstoffen, sondern aus vielen anderen Produkten ist Blei weitgehend verschwunden.

Übrigens: Im Bereich der Kraftstoffe endete die Ära des Bleis erst im vergangenen Jahr. Als letztes Land weltweit nahm Algerien im Juli 2021 bleihaltiges Benzin aus dem Verkauf. Andere Länder wie Deutschland haben längst umgestellt. Blei ist ein Schwermetall, reichert sich in der Umwelt und in Organismen an – und gilt als gesundheitsgefährdend. Nicht nur aus Kraftstoffen, sondern aus vielen anderen Produkten ist es deshalb weitgehend verschwunden.

Den Herstellern von Elektronikprodukten steht dieser grundlegende Wandel noch bevor. Phoenix Contact hat sich der Aufgabe schon frühzeitig gestellt und kann noch in diesem Jahr den Großteil seines Rundsteckverbinder-Produktportfolios bleifrei anbieten.

Jedes Produkt, jeder Prozess auf dem Prüfstand

Die Suche nach dem richtigen Material für ein bleifreies Steckverbinder-Portfolio geschah im ständigen Austausch zwischen Fertigung und Technologielabor.
Die Suche nach dem richtigen Material für ein bleifreies Steckverbinder-Portfolio geschah im ständigen Austausch zwischen Fertigung und Technologielabor.
(Bild: Phoenix Contact )

Standortübergreifend arbeiten die Projektbeteiligten bei Phoenix Contact seit vielen Jahren daran, geeignete Materialien zu identifizieren und Produktionsprozesse anzupassen. Um das hochkomplexe Thema auch wissenschaftlich zu betrachten, wurde an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) ein Forschungsprojekt initiiert, bei dem Phoenix Contact im projektbegleitenden Ausschuss vertreten war. Hier entwickelten die Beteiligten grundlegende Bearbeitungsstrategien für verschiedene bleifreie Kupferlegierungen. Das war der Startpunkt für eigentliche Ausarbeitung der Technologie am Standort Blomberg.

Blei sorgt in der herkömmlichen Produktion der Industrie für einen guten Spanbruch, eine leichtere Kaltverformbarkeit und eine leichte Schmierung im Material.

Eine Erkenntnis aus den Untersuchungen war, dass der Spanbruch schlechter funktionierte als mit bleihaltigen Legierungen. Blei sorgt in der herkömmlichen Produktion der Industrie aber nicht nur für einen guten Spanbruch, sondern auch für eine leichtere Kaltverformbarkeit und eine leichte Schmierung im Material. Ohne Blei verschlechtern sich diese Eigenschaften.

Königsdisziplin für die Entwickler waren die Crimp-Kontakte: Sie müssen gut Strom leiten, langzeitbeständig sein und gleichzeitig gute Zerspan- und Kaltumformeigenschaften mitbringen.
Königsdisziplin für die Entwickler waren die Crimp-Kontakte: Sie müssen gut Strom leiten, langzeitbeständig sein und gleichzeitig gute Zerspan- und Kaltumformeigenschaften mitbringen.
(Bild: Phoenix Contact )

Die Suche nach dem richtigen Material – basierend auf den wissenschaftlichen Grundlagen – geschah von nun an im ständigen Austausch zwischen Fertigung und Technologielabor. Hatte etwa eine Kupferlegierung einen niedrigen Zinkanteil, verbesserten sich zwar die Zerspanungseigenschaften, dafür sank jedoch die Kaltverformbarkeit. Königsdisziplin für die Produktentwickler waren die Crimp-Kontakte, die Strom gut leiten und langzeitbeständig sein sollen aber gleichzeitig gute Zerspan- und Kaltumformeigenschaften mitbringen müssen. Ein Balanceakt auf einem schmalen Grat, der enge Zusammenarbeit zwischen Zulieferern, Technologielaboren, Produktentwicklern und Serienfertigung erforderte.

Um die laufende Produktion nicht mit den umfangreichen Materialtests auszubremsen, investierte Phoenix Contact eigens in Produktionsmaschinen für seine Versuchsreihen mit bleifreien Legierungen. Für den Zerspanungsprozess entwickelte das Unternehmen sogar ein neues Verfahren und meldete dies zum Patent an.

Regelungen und Ausnahmen der RoHS-Richtlinie

Die europäische RoHS-Richtlinie limitiert oder verbietet schon jetzt Substanzen, für die schädliche Auswirkungen auf die Umwelt nachgewiesen sind (siehe Kasten). Allerdings gibt es weiterhin Gefahrenstoffe, die durch ihre technischen Eigenschaften bisher nicht ersetzt werden können. Für diese gelten Ausnahmeregelungen, etwa für Blei, das in der Ausnahme 6c im Annex III der Richtlinie 2011/65/EU weiterhin bis zu einem Massenanteil von vier Prozent erlaubt ist. Diese Ausnahmeregelung der RoHS-Richtlinie sollte am 21. Juli 2021 auslaufen. In Europa hätten dann keine Elektro- und Elektronikgeräte mehr verkauft werden können, die in ihren Werkstoffen einen Blei-Anteil von 0,1 Prozent überschreiten.

Nicht nur in Europa, auch weltweit gelten ähnliche Regelungen oder sind zumindest im Gespräch. Die Schweiz hat die sogenannte ChemRRV (Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung) erlassen, in China sorgen die „Management Methods for Controlling Pollution Caused by Electronic Information Products Regulation“, kurz China-RoHS, für entsprechende Stoffverbote. Südkorea hat die europäischen Regelungen weitgehend in der „Korea-RoHS“ übernommen, bei der Japan-RoHS steht Blei ebenfalls auf der Liste der bedenklichen Stoffe. In den Vereinigten Staaten sind vergleichbare Verordnungen ebenfalls auf dem Weg. Unabhängig davon, ob die Europäische Union die Ausnahmeregelung nochmals verlängert – oder eben nicht –, hat Phoenix Contact die technischen und prozesstechnischen Vorarbeiten abgeschlossen, um bleifreie Produkte bereitzustellen.

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Zusatzinfo zur RoHS-Richtlinie

RoHS steht für „Resctriction of Hazardous Substances“. Die Richtlinie betrifft elektrische und elektronische Geräte sowie deren Herstellung. Sie soll die Verwendung gefährlicher Stoffe vermindern – und die damit einhergehenden Risiken für Umwelt und Gesundheit. Folgende Stoffe bzw. Stoffklassen stehen auf der Liste: Blei, Quecksilber, Cadmium, Chrom(VI)-oxid, polybromierte Biphenyle (PBB), polybromierte Diphenylether (PBDE) und vier Arten von Phthalaten (DEHP, BBP, DBP, DIBP). RoHS-konforme Produkte dürfen nicht mehr als 0,1 % dieser Stoffe enthalten (bei Cadmium nur 0,01 %). Derzeit gilt bei Kupferlegierungen noch die Ausnahmeregelung 6c, die einen Massenanteil von bis zu 4 % Blei erlaubt.

Ähnlich wie einst die Umstellung auf bleifreie Kraftstoffe ist der Weg zu bleifreien Kupferlegierungen für die Elektronikbranche ein Mammutprojekt.

Thema „bleifrei“ bei der Komponentenauswahl bedenken

Ähnlich wie einst die Umstellung auf bleifreie Kraftstoffe ist der Weg zu bleifreien Kupferlegierungen für die Elektronikbranche ein Mammutprojekt. Sein Aufwand bemisst sich weniger in Jahren, denn in Jahrzehnten. Verantwortliche Planer müssen elektronische Geräte rechtzeitig anpassen und bleifreie Komponenten in die Planung einbeziehen. Wer heute Artikel eindesignt und in den nächsten Jahren Zulassungen für das Gerät nicht mühsam erneuern möchte, sollte das Thema RoHS bei der Komponentenauswahl frühzeitig mit bedenken.

Aus diesem Grund erfüllt Phoenix Contact schon heute zukünftige gesetzliche Vorgaben und Anforderungen. Entwickler können schon jetzt zukunftssichere Geräte für die Welt von morgen planen – und dabei Mensch und Umwelt schonen. Für tausende Produkte ist daher schon heute eine bleifreie Variante erhältlich.

Phoenix Contact bietet schon jetzt eine signifikante Auswahl an Rundsteckverbindern in bleifreier Ausführung. Durch den konsequenten Ausbau der metrischen Baureihen M5 bis M58 steht bis Jahresende ein Produktprogramm ohne Blei annähernd vollständig zur Verfügung.

* Jörg Zenkner ist Director Product Marketing Circular Connectors, Business Unit Field Device Connectors bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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