Niederdruck-Gießen statt Hochdruck-Spritzgießen

Durch die relativ hohe Viskosität der dafür gängigen Silicon-Typen ist dem Spritzgießen mit zunehmender Formteilgröße technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Da Silicon eine Reihe von Anwendungsvorteilen bei Hochspannungs-Isolatoren und diese in immer größeren Dimensionen benötigt werden, wurden dafür alternative Herstellprozesse entwickelt. Die Voraussetzung wurde mit der Entwicklung des, auf Elektroanwendungen abgestimmten, Silicontyps Power SIL-XLR 630 geschaffen. Der leicht fließende Materialtyp kann durch Niederdruck-Gießen verarbeitet werden.

Die Leitungsnetze für elektrischen Strom sind die Lebensadern unserer Informations- und Industriegesellschaft. Wichtige Systemkomponenten sind leistungsmäßig abgestimmte, funktionssichere Hochspannungs-Isolatoren. Versagen diese, können Überschläge und Kurzschlüsse entstehen, die die automatische Abschaltung des betroffenen Stromnetzes auslösen. Zum Einsatz kommen vor allem zwei Bauarten von Isolatoren: Langstab-Isolatoren für die isolierte Befestigung von Stromleitungen auf den Trägermasten und Hohl-Isolatoren. Letztere werden beispielsweise in Umspannwerken als Träger für spannungsführende Bauteile oder Messgeräte, bei Kabeldurchführungen oder Leistungsschaltern eingesetzt (Bild 1a + 1b). Die beiden Isolator-Bauarten unterscheiden sich durch die Ausführung des Kernes. Bei Stabisolatoren ist der Kern ein kompakter Stab aus einem elektrisch isolierenden Material (GFK), bei Hohlisolatoren ein GFK-Rohr (Bild 2). Bei beiden Bauarten wird eine Schutzhülle aus Silicon-Elastomer auf den Kern aufgebracht. Wichtig für die Schutzfunktion sind ein dauerhafter Verbund der beiden Komponenten und ein möglichst langer Kriechweg zwischen den beiden Isolator-Enden. Um diese Wegstrecke zu maximieren, besteht der Siliconkörper aus einer, im Querschnitt gesehen, Aneinanderreihung von Schirmprofilen.

Entwicklungsbasis Silicon-Kautschuk
Traditionell werden Hochspannungs-Isolatoren seit vielen Jahren aus Hartporzellan oder Glas gefertigt. Dies gilt für bestimmte Anwendungsgebiete auch heute noch. „Denn, beide sind an sich vorzügliche elektrische Isolatoren und darüber hinaus sehr beständig gegen die üblichen Umwelteinflüsse, wie Temperatur-Schwankungen, UV-Strahlung oder Feuchtigkeit“, erklärt Dr. Georg Simson, anwendungstechnischer Betreuer der Produktgruppe Power SIL bei Wacker Silicones in Burghausen. „Deren Nachteil ist aber, dass ihre Oberfläche hydrophil, das heißt durch Wasser benetzbar ist. Lagern sich im Laufe der Zeit Schmutzpartikel auf der Oberfläche ab, bilden sie in Kombination mit anhaftender Feuchtigkeit eine zunehmend leitfähige Oberflächenschicht. In Folge können darüber Kriechströme fließen, die in letzter Konsequenz Fremdschicht-Überschläge auslösen. Abhilfe dafür schafft nur ein regelmäßiges Abwaschen der Oberflächen-Verschmutzungen, was durch die exponierten Einbaupositionen auf Leitungsmasten großen Aufwand an Personen und Transportmitteln wie Hubschrauber, bedeutet. Diese Nachteile treffen auf Silicon-Isolatoren nicht zu. Anders als eine Porzellanoberfläche ist eine Siliconoberfläche dauerhaft hydrophob, also wasserabweisend. Regen oder Tau-Beläge perlen von den Siliconschirmen ab. Die hydrophobe Oberfläche bewirkt zudem, dass auch das Anhaften von Schmutzpartikel minimiert wird und so die Bildung einer feuchten Fremdschicht verhindert wird. Dies stellt dann einen großen Vorteil dar, wenn Silicon-Isolatoren in Regionen mit einem hohen Staubanteil in der Luft, beispielsweise in Industriegebieten oder intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebieten oder in einer salzhaltigen Atmosphäre, wie sie in Küstennähe zum Einsatz kommen.“ berichtet Dr. Simson und ergänzt: „Selbst nach jahrelangem Freiluft-Einsatz bildet sich keine zusammenhängende leitfähige Schicht. Damit ist die Gefahr von Fremdschicht-Überschlägen gebannt.“
Darüber hinaus bieten Silicon-Verbundisolatoren noch zusätzliche Vorteile: Sie sind im Unterschied zu Porzellan-Isolatoren deutlich robuster gegenüber mechanischen Beanspruchungen, daher besser transportfähig, unempfindlicher gegen Erschütterungen durch Erdbeben oder sonstige mechanische Umwelteinflüsse. Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Anwendungsvorteil ist, dass sie auch deutlich weniger wiegen, als Porzellan- oder Glas-Isolatoren. Nicht zuletzt sind auch die Produktionszeiten von Silicon-Isolatoren vergleichs-weise kürzer und mit weniger Aufwand verbunden.

Einfache Herstellung durch Niederdruck-Gießtechnik
Die Herstellung immer größerer Silicon-Isolatoren erfordert eine entsprechend angepasste Verarbeitungstechnik, denn die konventionelle Spritzgießtechnik stößt mit zunehmendem Volumen an technische Grenzen, vor allem bei der möglichen Größe von Spritzaggregaten. Dazu Klaus Wenzeis, Leiter des Prozesstechnologie-Centers für technische Silicone bei Wacker: „Mit steigender Komponentengröße gibt es keine Alternative zu einem Gießprozess. Allerdings wachsen mit steigender Größe und der entsprechend größeren Siliconmenge die Fließwege bei der Formfüllung und die damit zusammenhängende Füllzeit. Der Flüssig-silicon-Kautschuk sollte deshalb so dünnflüssig und bei Werkzeug-Temperaturen bis zu 130 bis 140 °C so lange verarbeitungsfähig sein, dass das Form-Werkzeug blasenfrei und nahezu drucklos gefüllt werden kann (Bild 3). Höhere Temperaturen als 140 °C sind kritisch, da sich dann das GFK-Rohr bzw. der GFK-Kernstab erweichen und verformen würde. Gängige Flüssigsilicon-Kautschuke eignen sich für diese Verarbeitung nicht. Sie sind viel zu zähflüssig und erfordern daher eine Hochdruck-Verarbeitung. Den Durchbruch in Richtung Niederdruck-Gießen brachte der unter der Typenbezeichnung Power SIL-XLR 630 eingeführte 2-komponentige Silicon-Kautschuk (XLR steht für Extra Liquid Rubber). Um das Potenzial dieses Materials und dessen einfache Verarbeitung unseren Werkstoffkunden näher bringen zu können, haben wir für unser Anwendungstechnikum nach einer universell einsetzbaren Maschinentechnik gesucht. Letztendlich hat uns das ergonomisch günstige und flexibel nutzbare C-Rahmen-System von LWB-Steinl, Altdorf, überzeugt.“

Holmlose C-Rahmen-Pressen für günstiges Formteil-Handling
Dazu LWB-Steinl-Vertriebsleiter Peter Radosai: „Die Technikumsanlage mit der Typenbezeichnung HC 1000 ist eine Ableitung aus unserer klassischen C-Rahmen-Spritzgießmaschine mit 1000 kN Schließkraft, besitzt jedoch kein Spritzaggregat zum Formfüllen. Mit einer Aufspannplattengröße von 700 x 400 mm und einer auf 750 mm vergrößerten lichten Weite bietet die LWB-Schließeinheit optimale Voraussetzungen für den Laborbetrieb im  Process-Technologie-Center Wacker Silicones. Die Funktion der Formfüllung übernimmt eine mit der Schließeinheit fix verbundene Dosier- und Mischanlage für das 2-Komponenten-Flüssig-Silicon (Bild 4). Beide Anlagenfunktionen sind über die LWB-Maschinensteuerung miteinander verknüpft. Um zusätzliche Möglichkeiten für Versuche zu schaffen, ist die Schließeinheit mittels Kran um 90° schwenkbar und kann somit sowohl horizontal als auch vertikal genutzt werden.“

Unkomplizierte Prozesstechnik
Die Prozesstechnik der Isolator-Fertigung ist einfach: Der zu umgießende Stab oder das GFK-Rohr wird in das Formwerkzeug, eine aus zwei Hälften bestehende Negativform, eingelegt (Bild 5). Nach dem Schließen des Werkzeugs werden die beiden Komponenten des Power SIL-XLR-Materials in einem Mischerblock zusammengeführt, anschließend in einem Statikmischer homogenisiert und mit geringem Druck in die Form eindosiert. Die Formfüllung erfolgt entgegen der Schwerkraft von unten nach oben, bis Material über die Entlüftungsöffnungen austritt und der Materialzufluss sensorgesteuert abgeschaltet wird. Nach Ablauf einer entsprechenden Heizzeit ist der Isolator vollständig vulkanisiert und kann anschließend einfach nach oben hin aus der holm- und daher hindernisfreien Schließeinheit ausgehoben werden. (Bild 6a+b)
„Dass in der Materialentwicklung noch viel Effizienzpotenzial steckt, hat uns unsere Zusammenarbeit mit Wacker klar gemacht,“ fasst Peter Radosai seine Erfahrungen aus dem etwas ungewöhnlichen Anlagenprojekt zusammen und fügt hinzu: „Es ist faszinierend, dass ganz ohne Spritzaggregat und dem, für dessen Antrieb notwendigen, Energieeinsatz hochqualitative Formteile hergestellt werden können. Wir erwarten, dass der Anteil der so gefertigten Formteile ein wachsendes Marktfeld sein wird. Bei Bedarf können wir eine ganze Typenreihe an ergonomisch günstigen C-Rahmen-Schließeinheiten bzw. ganzen Gießanlagen anbieten. Denn wir sehen durch die Verfügbarkeit der leichtfließenden 2K-Silicon-Typen durchaus wachsendes Anwendungspotenzial nicht nur bei den Groß-Isolatoren, sondern vor allem auch bei den kleineren, heute noch aufwändig spritzgegossenen, Isolatoren und einer ganzen Reihe von anderen dickwandigen Silicon-Formteilen.

Technik im Detail: Hochspannungs-Isolatoren aus Silicon
Wie ist der Aufbau? 

Silicon-Isolatoren sind Verbundteile aus elektrisch isolierenden Materialien.
Die Kernkomponenten sind GFK-Stäbe oder -Rohre. Sie sorgen für die mechanische Festigkeit. Die Kernkomponente ist mit einer schirmförmig konturierten Siliconkomponente ummantelt.

Welche Vorteile?  

• Hohl-Isolatoren aus Silicon wiegen nur rund 30 bis 40 Prozent eines vergleichbaren Keramik- oder Glas-Isolators, dem entsprechend sind die Transport- und Montagekosten niedriger.
• hohe Elastizität, daher unempfindlich gegen mechanische Einflüsse bei Transport und Einsatz
• höherer spezifischer Widerstand als Glas oder Keramik
• gute Wetterbeständigkeit, insbesondere gegen UV-Bestrahlung, unempfindlich gegen Sauerstoff und Ozon
• gute Alterungsbeständigkeit
• Formteile aus Silicon haben eine hydrophobe Oberfläche, die die Bildung von stromleitenden Fremdschichten (durch die Kombination von Feuchtigkeit und Verschmutzung) und damit die Gefahr der Kriechstrombildung verhindert.
• kaum Reinigungsmaßnahmen notwendig, dadurch geringere Wartungskosten im Langzeitbetrieb
• kürzere und einfachere Produktion im Vergleich zu Keramik und Glas

Welche Größen möglich?

• bis zu 12 Meter Länge (modular aufgebaut) und 1.500 mm Durchmesser
• aktuell für Spannungen von 72 KV (72.000 V) bis 1,1 MV (1 100.000 V).