Mikroverschraubungen für Wearables Wasserdichter Hingucker

Schneller, intelligenter und immer mehr Features – diesem Trend folgt die Unterhaltungselektronik seit jeher. Ein neuer Trend sind wasserdichte Handhelds und Wearables. Doch wie bekommt man Smartwatch & Co. wasserdicht, und das vor allem kostengünstig?

Sean Riskin, Director of Engineering, Stanley Engineered Fastening.

Standards spielen eine bedeutende Rolle, um teure Handhelds und Wearables langlebiger zu machen. Daher hat die Branche die IPX7-Bewertung übernommen. Dabei wird das Gerät dreißig Minuten lang einen Meter unter Wasser getaucht, und es darf keinerlei Flüssigkeit eindringen. Das kritische Element, um diesen Standard einzuhalten oder gar zu übertreffen, sind Mikroverschraubungen oder -verschlüsse, die keine Feuchtigkeit durchlassen und gleichzeitig die Ästhetik des Smartphones, der Armbanduhr, des Fitness-Trackers oder des Tablets unterstützen. Wenn ein Gerät sowohl unter Wasser, an der Luft, als auch bei Staub ein Hingucker ist, zieht dies potenzielle Käufer an. Diese Forderungen zu erfüllen aber ist schwierig, weil große, Schrauben für die Mikroverschraubungen ungeeignet sind. Wegen der kleineren Schrauben sind die Kosten pro Einheit zwei oder dreimal höher. Und ein Übersprühen mit Dichtungsmittel kann das Gerät manchmal verfärben, was dessen äußeres Erscheinungsbild ruiniert.

Eine Lösung, welche die Zuverlässigkeit verbessert und gleichzeitig die Kosten senkt, hat Stanley Engineered Fastening mithilfe einer variablen Wasserdrucksimulationskammer entwickelt und in einer Kombination aus Wasser- und Luftdruck von einem bis zehn Metern Wassertiefe simuliert. Die Montage berücksichtigte die Richtlinien der ISO und es wurden mindestens 32 Teile verwendet – in diesem Fall 3 mm lange M1,0-Schrauben, wie sie bei tragbaren Geräten üblich sind.

Anfänglich wurden diese Schrauben mit einem Mikrodrehmomentschlüssel auf die korrekte Sitzdrehmoment-Spezifikation angezogen (statt mit 35,3 N∙mm für das ISO-Gewinde mit 41,2 N∙mm). Das Drehmoment wurde um 15 Prozent erhöht, um die gleiche Klemmbelastung durch Reibung zu erreichen. Auf jeden Schraubenkopf wurde Wasserdruck aufgebracht, um eine tatsächliche Umgebung zu simulieren, die ein tragbares Gerät zerstören könnte, z. B. eine Toilette, ein Schwimmbad oder eine Badewanne.

Sobald die Kammer den vollen Druck erreicht hatte, stellen die Ingenieure einen Zeitgeber auf dreißig Minuten ein, beobachteten dann den Druckmesser genau und prüften auf Leckagen im unteren, trockenen Teil der Kammer. Sinkt der Druck und/oder ist Wasser auf der unteren Testplatte zu finden, würde dies einen System­ausfall anzeigen.

Danach erarbeitete das Team eine Studie, welche die Erkenntnisse aus den Tests von fast einem Dutzend Verschlusskonfigurationen verschiedener Marken zusammenträgt. Ziel war es, die besten Lösungen zu finden, die den IPX7-Standard erfüllt oder übertrifft.

Die meisten Dichtungsmittel für Mikroverschraubungen basieren auf Nylon oder Teflon und es gibt nur zwei Möglichkeiten für den Schutz der Anwendung: Entweder versiegeln Hersteller das Gewinde oder sie bringen eine Dichtung unter dem Kopf der Schraube an. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile. Nur die Gewinde abzudichten kann mehrere Schichten von Komponenten, die Teil einer typischen Befestigung sind, nicht schützen. Dies liegt daran, dass das Wasser zuerst die aneinander befestigten Komponenten berührt, danach erst das schützende Dichtungsmittel. Daher ist die Abdichtung unter dem Kopf vorzuziehen, da sie die erste Barriere gegen Feuchtigkeit ist. Doch diese Methode führt in einigen Fällen zu einem Overspray und Verfärbung durch den Anwendungsprozess.

Außerdem verursachen Dichtmittel hohe Kosten, weil so für jede einzelne Einheit ein zusätzlicher Arbeitsschritt nötig wird. In gewissem Sinne kämpfen OEMs an drei Fronten gleichzeitig: Funktion gegen Schönheit gegen Kosten. Dies zwingt die großen Hersteller dazu, über zehn Millionen US-Dollar jährlich alleine auf Mikroverschraubungen aufzuwenden. Was aber, wenn das Dichtmittel aus der Gleichung eliminiert werden könnte?