Electronic Packaging Gehäusesysteme machen mobil

Wenn sensible Elektronik vor Ort, dabei gut geschützt und einfach transportierbar eingesetzt werden soll, gestaltet sich die Suche nach dem passenden Gehäuse nicht immer einfach. Umso mehr, wenn die Applikation nicht nur raue Produktionsumgebungen schadlos überstehen, sondern auch beim Einsatz im Labor eine gute Figur machen soll.

Selbst die innovativste Elek-tronik bleibt dem Anwender grundsätzlich verborgen. Soll sie bereits auf den ersten Blick als hochwertig erkannt werden, braucht sie eine ansprechende »Verpackung«. Zwar finden sich bei den meisten Gehäusebauern Zubehörteile wie Aufstellfüße, Griffe und Tragebügel, jedoch kaum ein ausgeklügeltes Baukastensystem für mobile Anwendungen.

Speziell die Mobilität bringt aber ganz oft besondere Herausforderung mit sich, wenn diametral sich entgegenstehende Forderungen zu erfüllen sind: eine äußerst stabile Bauweise bei geringem Gewicht, Robustheit bei gefälliger Anmutung, kleinstmögliche Abmessungen bei effektiver Kühlung des dicht gepackten Innenlebens und vieles andere mehr.

Ein dementsprechender Gehäuse-Systembaukasten für mobile Elektroniken ist das »Santox S2000« von Föhrenbach Analytics (Santox). Die tragenden Elemente sind dabei doppelwandige Aluminiumprofile, die sich zu jeder gewünschten Größe kombinieren lassen. Diese Doppelwandigkeit kann als »bionische« Lösung verstanden werden, denn sie ist konstruktiv dem Prinzip nachempfunden, das die Natur für Pflanzenhalme verwendet.

Selbst die in der Natur als Verstärkung dienenden Knoten bilden die Profile sowohl als Einzelelemente als auch beim Kombinieren nach. Das Ergebnis ist eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht (und damit sparsamem Materialeinsatz) und eine makellose Außenansicht; denn alle Befestigungselemente und Verschraubungen für Geräteträger, Winkel, Kabelführungen, Ausbauten, etc. »verschwinden« unsichtbar in der Doppelwand.

Natürlich ist für die Aufgabenstellung »Finden einer mobilen Gehäuselösung« ein ganzheitlicher Ansatz nötig. Durch die Erfahrung in der Messtechnik, im Geräte- und Apparatebau und in der Gehäusekonstruktion können die Mitarbeiter von Santox bereits im Briefing-Gespräch wertvolle konstruktive Anregungen zur optimalen Anordnung oder Beschaffenheit von Komponenten geben. Das soll im Folgenden am Beispiel eines Gaschromatographen veranschaulicht werden.

Beispiel Gaschromatograph

Analysiert man Gase aus Produktionsprozessen im Labor, so besteht das Risiko, dass sich die Proben auf dem Weg dorthin verändern. Außerdem verliert man wertvolle Zeit. Das Schweizer Unternehmen Inrag hat eine schnelle Messmethode entwickelt, die direkt vor Ort genaue Ergebnisse liefert. Die Fragestellung an Santox lautete nun: »Haben Sie eine Lösung, wie man all die dafür benötigten Einzelkomponenten in einem stabilen und möglichst kleinen Gehäuse unterbringen kann?« Im ersten Briefing-Gespräch wurde zudem die mechanische Schutzart mit IP44 festgelegt. Die mitgebrachten Komponenten stellten sich unter anderem als vollwertiges PC-Modul, Touchpanel, Steckernetzteil, gaschromatographische Trennstrecke (siehe Kasten »Gaschromatographie«), Probengaspumpe, Trägergaskartusche, etliche Stellventile, Schläuche, Schlauchkupplungen, Netz-, Mess-, Batteriekabel und vieles andere mehr heraus, die auf dem Besprechungstisch ausgebreitet wurden.

Gaschromatographie   
Nach einer Möglichkeit, Gase auf ihre Zusammensetzung zu prüfen, wird schon seit dem 16. Jahrhundert geforscht. Erst im 20. Jahrhundert wurde jedoch der erste funktionsfähige Gaschromatograph entwickelt. Beispielsweise führte dieses neuartige Verfahren zur - eher zufälligen - Aufdeckung des Wein-Glykol-Skandals.
Die gaschromatographische Separation erfolgt in einer Trennstrecke, die eine stationäre Phase enthält und von einer mobilen Phase durchströmt wird. Je nach Stoffkomponente legen die zu prüfenden Gasgemische die Trennstrecke mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zurück, wobei jedes Gas- oder Gasgemisch eine spezifische Verzögerung erfährt, die mittels eines Detektors qualitativ und quantitativ bestimmt werden kann.
Der hier vorgestellte »I-Graph XC« ist ein äußerst kompakter, vollwertiger Gaschromatograph für den mobilen Einsatz, den die Firma Brechbühler vertreibt. Das Gerät zeichnet sich durch den komplett autonomen Betrieb und sehr kurze, automatisch zeitgesteuerte Messzyklen aus.  Es ist durch eine Start/Stopp-Taste sofort betriebsbereit. Die Bedienung erfolgt über eine einfach zu bedienende Benutzeroberfläche per Touchpanel, das Messverfahren beruht auf einem Patent von Inrag sowie SLS Micro Technology. Der I-Graph XC liefert ohne Verzögerung wichtige Entscheidungsgrundlagen bei der Gasflussüberwachung, Prozesskontrolle, Produktionsüberwachung, Qualitätsanalyse, bei Umgebungssicherheitstests und Abgasüberwachungen. Damit lassen sich Emissionen schnell entdecken, bevor daraus schädigende Immissionen werden.

Damit war klar, dass im Gehäuse unterschiedliche Ebenen für den Einbau zu realisieren waren, von denen Bild 1 einen ersten Eindruck liefert. Ebenso klar war allerdings, dass Stellventile, Schläuche und Schlauchkupplungen durch Verwendung eines speziellen Ventilblocks zu ordnen waren. Dieser wurde von Santox skizziert und extern gefertigt (Bild 2).

Klein, dabei übersichtlich und - vor allem - gut bedienbar: Das waren die Herausforderungen, die in der Konstruktionsabteilung bei Santox heiß diskutiert wurden.

Das ist durchaus auch wörtlich zu verstehen, denn ein vollwertiger PC mit Windows-Betriebssystem und Bedienung per Touchpanel erzeugt beträchtliche Wärme, die sich aus einem kleinen Gehäuse nur per Zwangskonvektion über einen Filterlüfter wirksam abführen lässt. Er wurde in die linke Seitenwand platziert (Bild 1).

Rechts im Gehäuse ist dagegen eine Schottwand vorgesehen, hinter der die Konstruktion zur Aufnahme der Kartusche für das Trägergas sitzt.

Aus wärmestrategischen Überlegungen wurde das Tischnetzgerät in oberster Ebene stabil und mechanisch geschützt gehaltert. Für den vollständig autonomen Betrieb ist im Gehäuse zusätzlich ein Akku untergebracht.

Ganz unten im Gehäuse ist der bereits angesprochene und für Ordnung sorgende Ventilblock eingebaut (Bild 2).

Zur Gasanalyse gibt es zwei Probegas-Eingänge, von denen einer über eine interne Pumpe für die dynamische Gasentnahme verfügt.

Alle für die Messung nötigen Verschlauchungen erfolgen über Gas-Schnellkupplungen auf der Fronseite, wo sich auch alle sonstigen Bedienelemente und die elektronischen Schnittstellen (USB, Ethernet, WLAN) befinden.

Gibt es bei den unterschiedlichen Komponenten des Systems eventuell »Unverträglichkeiten« zu anderen, mit denen sie also nicht direkt benachbart eingebaut werden dürfen?

Bevor alle Teile endgültig platziert und die dafür erforderlichen, teils sehr speziellen Befestigungselemente sowie das Gehäuse selbst konstruiert wurden, galt es, ein jeweils dreidimensionales »Verträglichkeits-, Platzoptimierungs- und Bedienbarkeitspuzzle« zu lösen.

Das Endergebnis ist ein lediglich 350 mm x 320 mm x 210 mm großes Gehäuse (Bild 3), das einen kompletten, automatisch arbeitenden »großen« Gaschromatographen in sich trägt (Bild 4).

Zusätzliche Leistungen

In partnerschaftlichen Kundenbeziehungen möchte Santox zusätzliche Leistungen anbieten, die über eine reine Gehäuselösung für den mobilen Einsatz hinausgehen. Beispielsweise sind dies mechanische Bearbeitungen aller Art, Beschriftung, elektrischer Ausbau, Funktionsprüfung, Rechnerintegration, Beschaffung und Überwachung aller Bauteile eines Komplettsystems, 2D- und 3D-Konstruktion mit Exportfunktion, Herstellung von Kunststofftiefziehteilen und von maßgeschneiderten PE-Schaumstoffteilen (z.B. für die professionelle Unterbringung von Zubehörteilen), Wärmemanagement der Elektronik und vieles andere mehr. Dabei kooperiert das Unternehmen mit Partnern bei Leistungen, die das eigene Portfolio nicht abdeckt.

Über den Autor:

Peter Hauser gründete Santox-Industriekoffer und ist bei Föhrenbach Analytics verantwortlich für Technik und Entwicklung.