Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alterungsverhalten neuer Materialsysteme und Technologien

Materialanalytik, Systemzuverlässigkeit, Alterung von Kunststoffen

Ressourceneffizienz: Langzeitlagerung von elektronischen/elektromechanischen Bedieneinheiten

Forschungsprojekt zur Verlängerung der Produktlebensdauer von Geräten und Maschinen für Industrie, Gewerbe und Haushalt.

Immer weitersinkende Preise und erhöhte Leistungsfähigkeit machen es Endnutzern einfach, ihre elektronischen Geräte (z. B. Smartphone oder Navigationsgerät) nach wenigen Jahren der Nutzung vollständig durch neue Produkte zu ersetzen. Eine Produktnutzung über viele Jahre hinweg ist unüblich und dementsprechend gering sind die Chancen, sie reparieren zu lassen. Auch in Industrie und Gewerbe sind elektronische/elektromechanische Bedieneinheiten (EB) nicht mehr wegzudenken, z. B. als Touchscreens in Steuereinheiten von Maschinen und Anlagen. Im Gegensatz zu dem Konsumerbereich ist eine regelmäßige Neuanschaffung im professionellen Umfeld oft nicht möglich. Trotzdem bewirken die kurzen Innovationzyklen auch dort eine sehr kurze Verfügbarkeit von Ersatzteilen für EB.

Für die Anbieter von Investitionsgütern mit einer Nutzungsdauer von 10 Jahren und mehr stellt die mangelnde Ersatzteilverfügbarkeit durch Beendigung der Produktion seitens der Hersteller (Obsoleszenz) ein großes Problem dar. Eine vielversprechende Lösung dafür ist die Langzeitlagerung elektronischer Ersatzteile. Allerdings ist eine Einlagerung der EB nach konventionellen Methoden (Regal- oder Stickstofflagerung) denkbar ungeeignet, da die Komponenten durch einsetzende Alterungsprozesse (z. B. Diffusion) ihre Funktion verlieren und unbrauchbar werden. Deshalb wurde ein Forschungsvorhaben initiiert, um passende Lagerungsverfahren für die benötigten Zwecke zu entwickeln.

Beispiele elektronischer und elektromechanischer Bedieneinheiten.

Analytisch identifiziert und quantifiziert

Das Forschungsvorhaben wurde von der HTV Conservation GmbH aus Bensheim und Fraunhofer LBF gemeinsam bearbeitet, so dass entscheidende Kernkompetenzen genutzt werden konnten:

Topografiemessystem zur Untersuchung von Bedieneinheiten.
FTIR Mikroskop zur Untersuchung von Kunststoffkomponenten.

Basis der Forschungsarbeit war das Langzeitkonservierungs- und -lagerungsverfahren TAB (Thermisch-Absorptive-Begasung) der HTV, das auftretende Alterungsprozesse elektronischer Komponenten stoppt bzw. minimiert. Derzeit werden elektronische Bauteile und Baugruppen sowie komplette Geräte aus aller Welt bis zu 50 Jahre auf diese Weise eingelagert.

Das LBF hat seine Systemkompetenzen aus dem Bereich Kunststoffe eingebracht. In diesem Projekt ist besonders unser Know-how in der Materialanalytik, der Systemzuverlässigkeit und der Alterung von Kunststoffen zum Tragen gekommen.

Dieses Wissen rund um die Einlagerung elektronischer Komponenten und darin enthaltener Kunststoffe konnte im Rahmen des Forschungsprojekts genutzt werden, um die sichere Langzeitlagerung elektronischer/elektromechanischer Bedieneinheiten zu erforschen. So wurden die Kunststoffkomponenten in EB analytisch identifiziert und ihr Alterungsverhalten analytisch quantifiziert. Die Entwicklung geeigneter Methoden ermöglichte es, die Alterungseffekte der EB mikroskopisch zu erfassen. Anschließend wurden Alterungsversuche durchgeführt, bei denen die EB extremen Bedingungen ausgesetzt waren (hohe oder niedrige Temperaturen, Modulation der Luftfeuchtigkeit oder des Sauerstoffgehaltes, etc.). Schließlich war es möglich, Materialdaten auf Komponentenebene den Funktionsmerkmalen der EB (optoelektronisch, mechanisch) gegenüberzustellen, die unterschiedlich „vorgealtert“ waren.

Alterung deutlich reduziert: ökonomische und ökologische Potentiale für mehr Nachhaltigkeit

Mittels dieser Analysemethoden in Kombination mit den Alterungsversuchen konnten Lagerbedingungen für elektronische/elektromechanische Bedieneinheiten ermittelt werden, unter denen die Alterung deutlich reduziert und damit die Funktionalität und Verarbeitbarkeit der EB über Jahrzehnte sichergestellt ist. Das Problem der Ersatzteilverfügbarkeit für elektronische/elektromechanische Bedieneinheiten kann somit durch ein angepasstes Verfahren der HTV-TAB-Langzeitlagerung gelöst werden. Auf diese Weise wird ein erheblicher Beitrag zum Schutz der Umwelt und zur Steigerung der Ressourceneffizienz geleistet: Bauteile und Geräte müssen nicht vorzeitig verschrottet werden und die in den elektronischen Komponenten verbauten kritischen Rohstoffe (z. B. Gallium und Gold) werden nicht verschwendet. Dies bringt ökonomische und ökologische Vorteile für eine nachhaltigere Gesellschaft.