Lamineerfouten (bramen, kromtrekken, krassen): acceptatienormen

A laminatiestapel Van buitenaf gezien lijkt het eenvoudig. Een stapel dunne staalplaten, in dezelfde vorm gestanst en aan een kern vastgelijmd of vastgeklemd voor een motor, transformator of generator. Maar het verschil tussen een stapel die vijftien jaar lang koel blijft en een die binnen achttien maanden oververhit raakt, komt vaak neer op gebreken die je zonder loep nauwelijks kunt zien.

Dit is een handleiding over de drie gebreken die het vaakst voorkomen in inspectierapporten – bramen, kromtrekken en krassen – en de cijfers waarover men daadwerkelijk discussieert wanneer een zending wordt afgekeurd. De nadruk ligt op wat een kwaliteitsingenieur moet goedkeuren, niet op definities uit leerboeken.

Waarom afwerkingsfouten bij het lamineren belangrijker zijn dan het aantal vellen

Het hele doel van het lamineren van een kern is het onderbreken van wervelstroompaden. Elke laag is geïsoleerd van de aangrenzende laag, meestal door een dunne coating, soms alleen door de oppervlakteoxidelaag. Stroom die anders vrij door een massief blok zou hebben gecirculeerd, wordt in kleine lussen opgedeeld, waardoor de verliezen afnemen.

Elk defect op deze lijst ondermijnt dat principe op de een of andere manier. Een braam kan een brug vormen tussen twee lamellen en zo een kortsluiting veroorzaken. Kromtrekking zorgt voor luchtspleten die de stapelfactor tenietdoen. Een kras beschadigt de isolatie en heeft hetzelfde effect als een braam, alleen vanuit een andere hoek. De acceptatienormen zijn dus niet louter cosmetisch. Ze geven aan in hoeverre de kern zijn ontworpen verlieswaarde zal behouden zodra deze onder spanning komt te staan.

Houd dat in gedachten, want het verklaart waarom de toleranties strenger zijn dan de geometrie op zich zou doen vermoeden.

Het snijproces verandert alles

Voordat er ook maar één tolerantie wordt genoemd, is er één vraag die bepalend is voor het verdere verloop van het gesprek: hoe is de plaat gesneden? Een grenswaarde die voor het ene proces redelijk is, is voor een ander proces ofwel onhaalbaar ofwel zinloos.

• Stansen met progressieve matrijzen is het werkpaard onder de volumemachines. Het produceert de klassieke braam die toeneemt naarmate het gereedschap slijt, dus de acceptatienormen zijn gebaseerd op de hoogte van de braam en de afwijking daarvan gedurende een productieserie.
• Lasersnijden laat vrijwel geen mechanische bramen achter, maar verwarmt de snijrand wel. De aandacht verschuift dan naar een door warmte beïnvloede zone die plaatselijk de magnetische eigenschappen kan aantasten en, aan de rand, de verliezen kan verhogen. Je meet de toestand van de rand en de verbranding, en niet zozeer de hoogte van de bramen.
• Draad EDM levert een uitzonderlijk zuivere rand op met nauwelijks bramen; wordt gebruikt voor prototypes en zeer nauwkeurige kernen. Het gaat hier om de hergietlaag en de kosten, niet om bramen.

De manier van verlijmen en stapelen is net zo belangrijk:

• Zelfhechtende (backlack) kernen, die onder hitte en druk zijn uitgehard, zijn zeer gevoelig voor verontreiniging van het oppervlak en krassen in de coating, omdat de hechtlaag en de isolatielaag hetzelfde oppervlak delen.
• Vergrendelde (met klemmen) en gelaste stapels zijn beter bestand tegen bepaalde oppervlaktebeschadigingen, maar brengen op de verbindingsplaats een eigen risico op kortsluiting met zich mee.

In de onderstaande tabellen wordt uitgegaan van conventioneel ponsen met progressieve matrijzen en een vastgeklemde of vergrendelde stapel, aangezien dat het meest voorkomende geval is. Als het proces wordt aangepast, verandert daarmee ook de acceptatiecriteria.

Bramen: het defect dat iedereen als eerste meet

Een braam is de opstaande metalen rand die bij de gestanste rand naar buiten wordt gedrukt. Deze ontstaat tijdens het stansen en wordt groter naarmate de stempel en de matrijs slijten. Met nieuwe stansgereedschappen krijg je een zuivere breukzone met vrijwel geen bramen. Een stansgereedschap dat aan het einde van zijn levensduur is, zorgt voor een opstaande staalrand die boven het oppervlak uitsteekt.

Waarom die obsessie met bramen? Twee redenen. Ten eerste zorgen ze voor extra hoogte. Stapel duizend laminaten op elkaar, en zelfs een braam van 15 micron per vel leidt tot 15 millimeter extra stapellengte die geen enkele magnetische functie vervult. Ten tweede – en dit is de reden waarom het product in de praktijk faalt – doorboren bramen de isolatie tussen de laminaten en veroorzaken ze kortsluitingen tussen aangrenzende vellen. Dit leidt tot plaatselijke opwarming. Vervolgens ontstaat er een hotspot. Daarna volgt een storing die lijkt op een lagerprobleem, maar die bij de pons is begonnen.

Toelatingscriteria voor de hoogte van de bramen

In de meeste specificaties wordt de toegestane bramenhoogte gekoppeld aan de plaatdikte, in plaats van dat er voor alle gevallen één vast getal wordt genoemd; deze ligt doorgaans rond de 5–10% van de materiaaldikte en wordt strenger vastgesteld voor dunnere hoogwaardige staalsoorten. In de onderstaande tabel worden de gangbare, in de industrie geaccepteerde tolerantiebereiken voor gestanst elektrisch staal weergegeven.

Deze drempelwaarden worden doorgaans getoetst aan het testkader voor elektrotechnisch staal en magnetische materialen van de IEC 60404-serie (meetmethoden voor magnetische materialen) en de bijbehorende ASTM A34/A343 methoden, waarbij de toestand van de isolatielaag wordt beoordeeld op basis van ASTM A976 classificatie. Kopers die met Europese tekeningen werken, zullen vaak zien dat dezelfde eisen worden uitgedrukt via EN 10106 / EN 10126 kwaliteitsspecificaties. Het exacte cijfer dat van toepassing is, is het cijfer dat in de onderdeeltekening en de overeengekomen acceptatienorm is vastgelegd — de bovenstaande referenties definiëren hoe om te meten en in te delen, geen universeel getal.

De meting zelf is voor veel mensen een struikelblok. Je kunt een bram niet op het oog beoordelen. Een gekalibreerde hoogtemeter, een laserprofilometer of een stylusprofiler die loodrecht op de snijrand wordt gevoerd, levert een herhaalbare waarde op. Het nemen van monsters gebeurt meestal volgens een plan waarbij op vaste intervallen stukjes van de strook worden afgenomen, omdat de braamhoogte verandert naarmate het gereedschap slijt – dus één goede meting aan het begin van een productierun zegt bijna niets over het einde ervan.

Een praktische opmerking vanuit de werkvloer: de richting van de braam is van belang. Een braam die terugbuigt in de richting van de breukzone zal de isolatie minder snel overbruggen dan een braam die recht omhoog staat. Sommige acceptatiecriteria houden hier rekening mee, de meeste echter niet, en juist die kloof leidt tot discussies in de praktijk.

Kromming en vlakheid: de stille boosdoener voor de stapelfactor

Onder kromtrekking wordt elke vervorming buiten het vlak verstaan: bol staan, golving, omkrullen van de randen en een ‘chips-achtige’ verdraaiing over de hele plaat. Dit wordt veroorzaakt door restspanning in de rol, ongelijkmatige ponskrachten, thermische effecten tijdens het uitharden van de coating en ruwe behandeling.

Dit is nu juist wat kromtrekken zo verraderlijk maakt. Een enkel kromgetrokken vel kan op zichzelf nog wel door een vlakheidscontrole komen. Maar stapel er een paar honderd op elkaar en de afwijkingen heffen elkaar niet op. Ze stapelen zich op, of erger nog, ze versterken elkaar op de plekken waar de hoge punten op één lijn liggen. Het resultaat is een stapel die hoger is dan volgens de berekeningen zou moeten, met luchtopeningen tussen de vellen.

Dat heeft directe gevolgen voor de stapelfactor – de verhouding tussen het werkelijke staalvolume en het schijnbare volume van de stapel. Een goede stapelfactor ligt voor de meeste staalsoorten boven 0,96; de beste stapels van dunwandig staal overschrijden zelfs 0,97. Kom je onder deze waarde, dan heb je in feite een kleinere magnetische kern gebouwd dan in de tekening was voorgeschreven, waardoor de fluxdichtheid toeneemt en daarmee ook de verliezen. De stapelfactor zelf wordt gedefinieerd en gemeten volgens de IEC 60404-13 / ASTM A719 methoden.

Aanvaardingscriteria voor vlakheid

De vlakheid wordt doorgaans uitgedrukt als een golfhoogte of als een percentage over een bepaalde lengte.

Bij voltooide stapels worden de parallelliteit en de totale stapelhoogte op verschillende punten rond de omtrek gemeten, niet slechts op één punt. Een stapel die precies op 12 uur ligt en op 6 uur 0,3 mm hoog is, zal bij de montage problemen veroorzaken, zelfs als het gemiddelde er prima uitziet.

De juiste omgang met het materiaal is al de helft van de oplossing bij kromtrekken. Een stapel gegloeide lamellen is slap en neemt gemakkelijk een vaste vorm aan. Zodra het materiaal buiten zijn elastische bereik wordt gebogen, blijft het gebogen en kan geen enkel vervolgproces het volledig herstellen. Veel van het “kromtrekken” dat bij de ingangscontrole wordt geconstateerd, is in feite tijdens het transport ontstaan, niet tijdens de productie.

Krassen en oppervlaktebeschadigingen: kleine sporen, grote gevolgen

Krassen worden vaker dan enig ander defect op deze lijst afgedaan als louter cosmetisch. Soms is dat terecht. Een vaag streepje op het oppervlak van een plaat, zonder dat de coating is beschadigd en zonder bramen – prima, verstuur het maar. Maar een kras die door de isolatiecoating heen snijdt, is functioneel gezien hetzelfde als een braam: het opent een pad waardoor stroom tussen de lamellen kan overslaan.

De vraag of krassen worden geaccepteerd, heeft dus vrijwel nooit te maken met het uiterlijk. Het gaat erom of de coating intact is. Een ondiepe sleepspoor waarbij de isolatielaag onbeschadigd blijft, is doorgaans acceptabel. Een groef waarbij het blanke metaal zichtbaar wordt, vooral als deze dwars op de vloeirichting loopt, is dat niet.

Dit kan het best worden beoordeeld aan de hand van een interlaminaire weerstandstest in plaats van een visuele beoordeling, uitgevoerd onder de ASTM A717 (oppervlakte-isolatieweerstand) en IEC 60404-11 coatingmethoden. Je legt een bepaalde druk en spanning aan op het gecoate oppervlak en meet de weerstand. Zodra de drempelwaarde wordt overschreden, doet de coating zijn werk, of er nu een kras is of niet. Hier ligt de praktische norm: niet in een vergelijkingstabel met foto’s, maar in een weerstandswaarde.

Een beknopte uitleg over hoe schade aan het oppervlak wordt ingedeeld:

Nog een oorzaak die vaak over het hoofd wordt gezien: krassen ontstaan vaak door de stapel- en transportinrichtingen zelf, en niet door de ruwe staalrol. Als je op elke plaat steeds weer dezelfde parallelle krassen op dezelfde plek ziet, geef dan niet de staalleverancier de schuld, maar kijk eens naar je eigen gereedschap en transportbanden.

Het opstellen van een norm voor de aanvaarding van gebreken die standhoudt

Een specificatie waarin alleen toleranties worden opgesomd, is niet voldoende. Juist de onderdelen die geschillen daadwerkelijk voorkomen, worden vaak over het hoofd gezien.

Leg de meetmethode vast, niet alleen de grenswaarde. “Burr ≤ 20 µm” zegt niets zonder vermelding van het meetinstrument, de plaats op de rand en het aantal monsters. Twee laboratoria die dezelfde rand met verschillende meetinstrumenten meten, zullen resultaten opleveren die meer dan de tolerantieband van elkaar afwijken. Door de toepasselijke methode te vermelden – de IEC 60404-reeks, ASTM A976, ASTM A717 – wordt die kloof gedicht.

Stel een bemonsteringsplan op dat is afgestemd op de slijtage van het gereedschap. Ponsfouten nemen in de loop van een productieserie toe. Door het eerste en laatste stuk van een rol te inspecteren, worden afwijkingen opgespoord die bij een willekeurig enkel monster over het hoofd worden gezien. Stem de bemonsteringsfrequentie af op de snelheid waarmee uw gereedschap verslijt.

Maak een onderscheid tussen functionele en cosmetische gebreken. Een braam die kortsluiting veroorzaakt tussen de lamellen en een kras die de coating niet doorboort, zijn niet even ernstig, ook al zien ze er allebei slecht uit. Door defecten te beoordelen op basis van hun invloed op de interlaminaire weerstand en de stapelfactor voorkom je dat je goed product afkeurt en slecht product goedkeurt.

Test de stapel, niet alleen het vel. Afzonderlijke laminaten kunnen elk afzonderlijk door de keuring komen, terwijl de samengestelde stapel niet voldoet aan de eisen voor parallelliteit, stapelfactor of interlaminaire weerstand. De inspectie van binnenkomende vellen en de inspectie van de voltooide stapel zijn twee verschillende controlefasen, en beide zijn noodzakelijk.

De stapels die de minste garantieproblemen opleveren, zijn meestal afkomstig van productielijnen waar de operators begrijpen waarom Het gaat om die 20 micron bramen, niet alleen om het feit dat de meter in het rood stond. Dat inzicht zorgt ervoor dat een specificatieblad zich vertaalt in een constante kwaliteit.

FAQ

Wat is het schadelijkste lamineerfout? In de meeste gevallen gaat het om bramen. Deze combineren twee soorten storingen: ze voegen niet-magnetische hoogte toe aan de stapel en zorgen voor kortsluiting tussen aangrenzende lamellen. Daardoor komt een braamprobleem zowel bij maatcontroles als bij de elektrische prestaties aan het licht. Kromtrekken komt op de tweede plaats, omdat dit de stapelfactor over de gehele kern verslechtert in plaats van op één specifiek punt.

Hoe meet je de hoogte van de bramen op een betrouwbare manier? Gebruik een stylusprofilometer, een laserprofiler of een gekalibreerde hoogtemeter die loodrecht op de gestanste rand wordt geplaatst, volgens de relevante meetprocedure van IEC 60404 of ASTM A34. Voer meerdere metingen uit langs de rand en neem steekproeven uit de gehele productieserie, aangezien de braamhoogte toeneemt naarmate de pons en de matrijs slijten. Een enkele meting is niet representatief.

Heeft het snijproces invloed op de acceptatienorm? Ja, aanzienlijk. Bij het ponsen met progressieve matrijzen wordt vooral gekeken naar de hoogte van de bramen en de afwijking daarvan. Bij lasersnijden ontstaan er weinig mechanische bramen, maar ontstaat er wel een door warmte aangetaste rand, waardoor de criteria verschuiven naar randverbranding en een toename van plaatselijk materiaalverlies. Draadvonken levert een vrijwel braamvrije rand op en wordt in plaats daarvan beoordeeld op de hergesmolten laag. Als je de verkeerde maatstaf hanteert, verliest de norm zijn betekenis.

Is een kras altijd een afkeuring? Nee. Als de kras niet door de isolatielaag heen gaat, is deze meestal alleen cosmetisch van aard en aanvaardbaar. De doorslaggevende test is de interlaminaire weerstand volgens ASTM A717 of IEC 60404-11, niet het uiterlijk. Een kras waarbij het blanke metaal blootligt en de weerstand onder de drempelwaarde daalt, moet worden afgekeurd.

Welke stapelfactor kan ik verwachten van een goede stapel? Ongeveer 0,96 of beter voor dikkere kwaliteiten, en meer dan 0,97 voor dunne hoogwaardige staalsoorten, gemeten volgens IEC 60404-13 / ASTM A719. Als de waarde lager uitvalt, duidt dit meestal op kromtrekking, bramen die de hoogte vergroten of een te dikke coating die ten koste gaat van de staalvulling.

Waarom verandert de maximale freeshoogte afhankelijk van de plaatdikte? Dunnere platen worden gebruikt in toepassingen met hogere frequenties en lagere verliezen, waarbij de integriteit van de isolatie van het grootste belang is en waarbij de braam een groter deel van de plaatdikte uitmaakt. Door de grens te koppelen aan een percentage van de dikte blijft de norm in verhouding staan tot het risico.

Moet ik losse vellen of kant-en-klare stapels controleren? Beide. Bij inspectie op velleniveau worden problemen met bramen, coating en de vlakheid van afzonderlijke vellen al bij de bron opgespoord. Bij inspectie op stapelniveau worden geaccumuleerde fouten – parallelliteit, totale hoogte, stapelfactor en interlaminaire weerstand – opgespoord die bij een afzonderlijk vel op zichzelf niet zichtbaar zijn.