Laminierungsfehler (Grate, Verformungen, Kratzer): Abnahmekriterien

A Laminierstapel Von außen sieht es ganz einfach aus. Ein Stapel dünner Stahlbleche, die alle in die gleiche Form gestanzt und zu einem Kern für einen Motor, einen Transformator oder einen Generator verklebt oder zusammengeklemmt wurden. Doch der Unterschied zwischen einem Stapel, der fünfzehn Jahre lang kühl läuft, und einem, der bereits nach achtzehn Monaten überhitzt, liegt oft in Fehlern, die man ohne Lupe kaum erkennen kann.

Dies ist ein Leitfaden zu den drei Mängeln, die in Prüfberichten am häufigsten auftauchen – Grate, Verformungen und Kratzer – sowie zu den Zahlen, über die tatsächlich gestritten wird, wenn eine Lieferung zurückgewiesen wird. Der Schwerpunkt liegt darauf, was ein Qualitätsingenieur abnehmen muss, und nicht auf Definitionen aus Lehrbüchern.

Warum Laminierungsfehler wichtiger sind als die Anzahl der Bögen

Der Sinn und Zweck der Laminierung eines Kerns besteht darin, Wirbelstrompfade zu unterbrechen. Jede Schicht ist von ihrer Nachbar-Schicht isoliert, in der Regel durch eine dünne Beschichtung, manchmal auch nur durch die Oberflächenoxidschicht. Strom, der durch einen massiven Block ungehindert zirkulieren würde, wird in kleine Schleifen aufgespalten, wodurch die Verluste sinken.

Jeder Defekt auf dieser Liste untergräbt dieses Prinzip auf die eine oder andere Weise. Eine Grate kann zwei Lamellen miteinander verbinden und so einen Kurzschluss verursachen. Verformungen öffnen Luftspalten, die den Stapelfaktor beeinträchtigen. Ein Kratzer entfernt die Isolierung und bewirkt dasselbe wie eine Grate, nur aus einer anderen Richtung. Die Abnahmekriterien sind also nicht rein kosmetischer Natur. Sie sind ein Indikator dafür, wie gut der Kern seinen vorgesehenen Verlustwert einhält, sobald er unter Spannung steht.

Behalten Sie das im Hinterkopf, denn dadurch lässt sich erklären, warum die Toleranzen enger sind, als es die Geometrie allein vermuten lassen würde.

Der Schneidevorgang verändert alles

Bevor man auch nur eine einzige Toleranz angibt, entscheidet eine Frage darüber, wie das weitere Gespräch verläuft: Wie wurde das Blech zugeschnitten? Eine Toleranz, die für einen Prozess sinnvoll ist, ist für einen anderen entweder unmöglich oder sinnlos.

• Stanzen mit Folgewerkzeugen ist das Arbeitstier unter den Fräsern. Es erzeugt die klassische Fräsgratbildung, die mit zunehmendem Werkzeugverschleiß zunimmt, weshalb sich die Akzeptanzkriterien auf die Höhe des Fräsgrats und dessen Veränderung im Laufe eines Durchlaufs beziehen.
• Laserschneiden Es entstehen fast keine mechanischen Grate, allerdings wird die Schnittkante dabei erhitzt. Das Augenmerk richtet sich nun auf eine Wärmeeinflusszone, die lokal die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigen und an der Kante zu erhöhten Verlusten führen kann. Man misst den Zustand der Kante und die Verbrennung, weniger die Höhe der Grate.
• Drahterodieren Erzeugt eine außergewöhnlich saubere Kante mit vernachlässigbaren Graten und wird für Prototypen und hochpräzise Kerne verwendet. Hier geht es um die Neugussschicht und die Kosten, nicht um Grate.

Das Klebeverfahren und die Stapelweise spielen eine ebenso wichtige Rolle:

• Selbstklebende (Backlack-)Kerne, die unter Hitze und Druck ausgehärtet werden, reagieren äußerst empfindlich auf Oberflächenverunreinigungen und Kratzer in der Beschichtung, da die Verbindung und die Isolierung dieselbe Oberfläche bilden.
• Ineinandergreifende (verklammerte) und geschweißte Stapel Sie vertragen bestimmte Oberflächenfehler zwar besser, bergen jedoch an der Verbindungsstelle ein eigenes lokales Kurzschlussrisiko.

Die folgenden Tabellen gehen von einem herkömmlichen Stanzvorgang mit Folgewerkzeugen und einem geklemmten oder ineinandergreifenden Stapel aus, da dies der häufigste Fall ist. Ändert sich der Prozess, ändern sich damit auch die Abnahmekriterien.

Grate: Der Fehler, den jeder als Erstes misst

Ein Grat ist die erhabene Metallkante, die an der Stanzkante hervorsteht. Er entsteht beim Stanzen, und seine Größe nimmt mit zunehmendem Verschleiß von Stempel und Matrize zu. Mit neuen Werkzeugen erhält man eine saubere Bruchzone, die nahezu gratfrei ist. Ein Werkzeug am Ende seiner Lebensdauer hinterlässt hingegen eine Stahlwulst, die über die Oberfläche hinausragt.

Warum diese Fixierung auf Grate? Aus zwei Gründen. Erstens sorgen sie für zusätzliche Höhe. Stapelt man tausend Laminate, ergibt selbst ein 15-Mikrometer-Grate pro Blatt eine zusätzliche Stapellänge von 15 Millimetern, die keine magnetische Leistung erbringt. Zweitens – und das ist der Grund, warum das Produkt im Einsatz versagt – durchbohren Grate die Isolierung zwischen den Laminaten und verursachen Kurzschlüsse zwischen benachbarten Lagen. Es kommt zu lokaler Erwärmung. Dann entsteht ein Hotspot. Schließlich tritt ein Ausfall auf, der wie ein Lagerproblem aussieht, aber eigentlich am Stanzvorgang seinen Ursprung hatte.

Toleranz für die Höhe der Grate

In den meisten Spezifikationen wird die zulässige Grathöhe an die Blechdicke gekoppelt, anstatt einen festen Wert für alle Fälle anzugeben; sie liegt üblicherweise bei etwa 5–10% der Materialdicke und ist bei dünneren, hochwertigen Stählen strenger festgelegt. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die in der Branche üblichen Toleranzbereiche für gestanzten Elektroblech.

Diese Grenzwerte werden in der Regel anhand des Prüfrahmens für Elektrostahl und magnetische Werkstoffe der IEC 60404-Reihe (Messverfahren für magnetische Werkstoffe) und die entsprechenden ASTM A34/A343 Verfahren, wobei der Zustand der Isolierbeschichtung unter folgenden Bedingungen bewertet wird: ASTM A976 Klassifizierung. Käufer, die nach europäischen Zeichnungen arbeiten, werden häufig feststellen, dass dieselben Anforderungen durch EN 10106 / EN 10126 Güteanforderungen. Maßgebend ist der in der Teilezeichnung und in der vereinbarten Abnahmespezifikation angegebene Wert – die oben genannten Referenzen definieren wie zum Messen und Klassifizieren, keine universelle Zahl.

Schon die Messung selbst stellt viele vor ein Problem. Eine Grate lässt sich nicht mit bloßem Auge beurteilen. Ein kalibriertes Höhenmessgerät, ein Laserprofilometer oder ein Tasterprofilometer, das senkrecht zur Schnittkante geführt wird, liefert einen wiederholbaren Messwert. Die Probenahme erfolgt in der Regel nach einem Plan, bei dem in festgelegten Abständen Proben aus dem Band entnommen werden, da die Grathöhe mit zunehmendem Werkzeugverschleiß schwankt – eine einzelne korrekte Messung zu Beginn eines Durchlaufs sagt also fast nichts über das Ergebnis am Ende aus.

Ein praktischer Hinweis aus der Fertigung: Die Ausrichtung der Grate spielt eine Rolle. Ein Grat, der sich zurück in Richtung der Bruchzone biegt, überbrückt die Isolierung mit geringerer Wahrscheinlichkeit als ein Grat, der senkrecht nach oben steht. Einige Abnahmekriterien berücksichtigen dies, die meisten jedoch nicht – und genau diese Lücke ist der Grund für Diskussionen vor Ort.

Verzug und Ebenheit: der stille Feind des Stapelfaktors

Unter Verzug versteht man jede Verformung außerhalb der Ebene – Wölbung, Wellung, Kantenwölbung sowie eine kartoffelchipartige Verdrehung quer zur Blechfläche. Ursachen hierfür sind Restspannungen im Coil, ungleichmäßige Stanzkräfte, thermische Einflüsse während der Aushärtung der Beschichtung sowie unsachgemäße Handhabung.

Das ist das Tückische an Verformungen. Ein einzelnes verzogenes Blatt mag für sich genommen eine Ebenheitsprüfung bestehen. Stapelt man jedoch einige hundert davon, gleichen sich die Abweichungen nicht aus. Sie summieren sich oder – schlimmer noch – verstärken sich an den Stellen, an denen die Erhebungen aufeinander treffen. Das Ergebnis ist ein Stapel, der höher ist, als es rechnerisch zu erwarten wäre, und in dem Luftspalten zwischen den Blättern eingeschlossen sind.

Dies wirkt sich direkt auf den Stapelfaktor aus – das Verhältnis des tatsächlichen Stahlvolumens zum scheinbaren Volumen des Stapels. Ein guter Stapelfaktor liegt bei den meisten Güteklassen über 0,96; die besten Stapel aus dünnem Blech überschreiten sogar 0,97. Sinkt dieser Wert darunter, hat man faktisch einen kleineren Magnetkern aufgebaut, als in der Zeichnung vorgesehen war, was die Flussdichte erhöht und damit auch die Verluste. Der Stapelfaktor selbst wird definiert und gemessen gemäß der IEC 60404-13 / ASTM A719 Methoden.

Abnahme der Ebenheit

Die Ebenheit wird in der Regel als Wellenhöhe oder als Prozentsatz über eine definierte Länge angegeben.

Bei fertigen Stapeln werden die Parallelität und die Gesamthöhe des Stapels an mehreren Stellen entlang des Umfangs gemessen, nicht nur an einer einzigen. Ein Stapel, der bei „12 Uhr“ exakt ausgerichtet ist, bei „6 Uhr“ jedoch 0,3 mm hoch ist, verursacht Probleme bei der Montage, selbst wenn der Durchschnittswert in Ordnung erscheint.

Die Handhabung ist bei Verformungen schon die halbe Miete. Ein Stapel aus geglühten Laminaten ist biegsam und nimmt leicht eine bestimmte Form an. Sobald er über seinen elastischen Bereich hinaus gebogen wird, bleibt er in dieser Form, und kein nachfolgender Prozess kann ihn vollständig wiederherstellen. Ein Großteil der “Verformungen”, die bei der Wareneingangskontrolle festgestellt werden, entsteht tatsächlich bereits während des Transports und nicht bei der Herstellung.

Kratzer und Oberflächenbeschädigungen: kleine Spuren, große Folgen

Kratzer werden häufiger als alle anderen Mängel auf dieser Liste als rein kosmetisches Problem abgetan. Manchmal ist das gerechtfertigt. Eine schwache Markierung auf der Oberfläche eines Blechs, keine Beschädigung der Beschichtung, keine Grate – gut, dann kann es ausgeliefert werden. Aber ein Kratzer, der die Isolationsbeschichtung durchdringt, ist funktional gesehen mit einem Grat gleichzusetzen: Er eröffnet einen Weg, über den Strom zwischen den Lamellen überspringen kann.

Bei der Frage, ob Kratzer akzeptabel sind, geht es also fast nie um das optische Erscheinungsbild. Es geht vielmehr darum, ob die Beschichtung intakt ist. Eine flache Schleifspur, bei der die Isolierschicht unversehrt bleibt, ist in der Regel akzeptabel. Eine Kerbe, die blankes Metall freilegt – insbesondere eine, die quer zur Flussrichtung verläuft –, ist es hingegen nicht.

Dies lässt sich nicht anhand einer visuellen Einstufung, sondern durch einen Test des interlaminaren Widerstands beurteilen, der unter den ASTM A717 (Oberflächenisolationswiderstand) und IEC 60404-11 Beschichtungsverfahren. Man legt einen definierten Druck und eine definierte Spannung an die beschichtete Oberfläche an und misst den Widerstand. Wird der Schwellenwert überschritten, erfüllt die Beschichtung ihre Aufgabe – egal, ob Kratzer vorhanden sind oder nicht. Hier liegt der praktische Maßstab – nicht in einer Foto-Vergleichstabelle, sondern in einem Widerstandswert.

Ein grober Überblick über die Einstufung von Oberflächenbeschädigungen:

Eine weitere Ursache, die oft übersehen wird: Kratzer entstehen häufig durch die Stapel- und Handhabungsvorrichtungen selbst und nicht durch das Rohband. Wenn Sie an jeder Platte an derselben Stelle gleichmäßige, parallele Kratzer feststellen, sollten Sie nicht länger dem Stahllieferanten die Schuld geben, sondern Ihre eigenen Werkzeuge und Förderanlagen überprüfen.

Die Entwicklung eines tragfähigen Standards für die Mängelabnahme

Eine Spezifikation, die lediglich Toleranzen auflistet, reicht nicht aus. Gerade die Teile, die Streitigkeiten tatsächlich verhindern, werden oft übersehen.

Legen Sie die Messmethode fest, nicht nur den Grenzwert. “Grate ≤ 20 µm” hat keine Aussagekraft, wenn nicht angegeben wird, welches Messgerät verwendet wurde, an welcher Stelle der Kante die Messung erfolgte und wie viele Proben untersucht wurden. Zwei Labore, die dieselbe Kante mit unterschiedlichen Messgeräten untersuchen, werden Ergebnisse erzielen, die um mehr als das Toleranzband voneinander abweichen. Die Nennung der maßgeblichen Norm – IEC 60404-Reihe, ASTM A976, ASTM A717 – schließt diese Lücke.

Legen Sie einen, am Werkzeugverschleiß orientierten Stichprobenplan fest. Stanzfehler nehmen im Laufe eines Produktionsdurchlaufs zu. Durch die Prüfung des ersten und letzten Teils einer Spule lassen sich Abweichungen erkennen, die bei einer zufälligen Einzelprobenprüfung übersehen werden. Passen Sie die Häufigkeit der Stichprobenprüfung an die Geschwindigkeit an, mit der sich Ihre Werkzeuge abnutzen.

Unterscheiden Sie funktionelle Mängel von kosmetischen Mängeln. Eine Grate, die zu einem Kurzschluss zwischen den Lamellen führt, und ein Kratzer, der die Beschichtung nicht durchbricht, sind nicht gleich schwerwiegend, auch wenn beide unschön aussehen. Die Einstufung von Fehlern anhand ihrer Auswirkungen auf den interlaminaren Widerstand und den Stapelfaktor verhindert, dass Sie einwandfreies Produkt aussortieren und fehlerhaftes Produkt durchlassen.

Testen Sie den Stapel, nicht nur das einzelne Blatt. Einzelne Laminate können zwar jeweils die Prüfung bestehen, doch der zusammengesetzte Stapel scheitert möglicherweise aufgrund von Parallelität, Stapelfaktor oder dem Widerstand zwischen den Laminaten. Die Prüfung der eingehenden Bögen und die Prüfung des fertigen Stapels sind zwei verschiedene Kontrollschritte, und Sie benötigen beide.

Die Stapel, die am wenigsten Probleme im Zusammenhang mit der Gewährleistung verursachen, stammen in der Regel aus Produktionslinien, in denen die Bediener verstehen, warum Es kommt auf eine 20-Mikrometer-Grate ab, nicht nur darauf, dass eine Messanzeige ins Rote sprang. Dieses Verständnis ist es, das aus einem Datenblatt gleichbleibende Qualität macht.

FAQ

Was ist der schwerwiegendste Laminierungsfehler? In den meisten Fällen sind es Grate. Sie vereinen zwei Fehlerarten – sie erhöhen die nichtmagnetische Höhe des Stapels und verursachen Kurzschlüsse zwischen benachbarten Lamellen –, sodass sich ein Gratproblem sowohl bei Maßkontrollen als auch bei der elektrischen Leistung bemerkbar macht. An zweiter Stelle folgt die Verformung, da sie den Stapelfaktor über den gesamten Kern hinweg verschlechtert und nicht nur an einer Stelle.

Wie lässt sich die Gratehöhe zuverlässig messen? Verwenden Sie ein Stiftprofilometer, einen Laserprofiler oder eine kalibrierte Höhenmessvorrichtung, die senkrecht zur Stanzkante geführt wird, und befolgen Sie dabei die entsprechenden Messverfahren gemäß IEC 60404 oder ASTM A34. Führen Sie mehrere Messungen entlang der Kante durch und entnehmen Sie Stichproben aus der gesamten Produktionscharge, da die Grathöhe mit zunehmendem Verschleiß von Stempel und Matrize ansteigt. Eine einzelne Messung ist nicht repräsentativ.

Ändert der Schneidevorgang die Abnahmekriterien? Ja, und zwar erheblich. Beim Stanzen mit Folgeverbundwerkzeugen werden vor allem die Grat Höhe und deren Abweichung bewertet. Beim Laserschneiden entstehen zwar kaum mechanische Grate, dafür jedoch eine wärmebeeinflusste Kante, sodass sich die Bewertungskriterien auf Kantenverbrennungen und den lokalen Materialverlust verlagern. Das Drahterodieren liefert eine nahezu gratfreie Kante und wird stattdessen anhand der Umschmelzschicht bewertet. Wendet man die falsche Bewertungsgrundlage an, verliert die Norm jegliche Aussagekraft.

Ist ein Kratzer immer ein Ausschuss? Nein. Wenn der Kratzer die Isolationsbeschichtung nicht durchdringt, handelt es sich in der Regel um einen kosmetischen Mangel, der akzeptabel ist. Ausschlaggebend ist der interlaminare Widerstand gemäß ASTM A717 oder IEC 60404-11, nicht das äußere Erscheinungsbild. Ein Kratzer, der blankes Metall freilegt und den Widerstand unter den Schwellenwert senkt, ist ein Ausschlussgrund.

Welchen Stapelfaktor kann ich von einem guten Stapel erwarten? Etwa 0,96 oder besser bei dickeren Güten und über 0,97 bei dünnen Hochleistungsstählen, gemessen gemäß IEC 60404-13 / ASTM A719. Liegt der Wert darunter, deutet dies in der Regel auf Verformungen, höhenerhöhende Grate oder eine übermäßige Beschichtungsdicke hin, die in die Stahlfüllung hineinragt.

Warum ändert sich die zulässige Grathöhe in Abhängigkeit von der Blechdicke? Dünnere Platten werden in Anwendungen mit höheren Frequenzen und geringeren Verlusten eingesetzt, bei denen die Unversehrtheit der Isolierung von größter Bedeutung ist und bei denen der Grat einen größeren Anteil an der Plattendicke ausmacht. Durch die Festlegung des Grenzwerts als Prozentsatz der Dicke bleibt die Norm im Verhältnis zum Risiko.

Soll ich die Einzelblätter oder die fertigen Stapel prüfen? Beides. Bei der Prüfung auf Einzelbogenebene werden Probleme wie Grate, Beschichtungsfehler und Unebenheiten einzelner Bögen bereits an der Quelle erkannt. Bei der Prüfung auf Stapelebene werden kumulierte Fehler – Parallelität, Gesamthöhe, Stapelfaktor und interlaminarer Widerstand – erkannt, die bei einem einzelnen Bogen allein nicht erkennbar sind.