Gehäusematerialien im Vergleich

Die fünf Werkstoffe im Überblick

Die Werte stammen aus Herstellerdatenblättern, mit Ausnahme der Dichte von Kohlenstoffstahl und der Zerspanungswerte, die Angaben eines Gehäuseherstellers sind. Die Modulspalte erklärt vieles: Bei gleicher Wandstärke ist eine Polycarbonatwand etwa 80-mal so flexibel wie eine Stahlwand (200 ÷ 2.4, unsere Rechnung), weshalb geformte Kunststoffgehäuse dickere Wände und Rippen aufweisen.

Korrosions- und chemische Beständigkeit

Edelstahl ist korrosionsbeständig aufgrund einer dünnen, chromreichen Passivschicht, die sich an der Luft selbstständig regeneriert. Der NEMA-Korrosionstest für Typ 4X unterzieht das Gehäuse 600 Stunden Salzsprühnebel und weiteren 200 Stunden, verglichen mit einer Probe aus Edelstahl AISI 304. Diese Probe ist der Maßstab des Tests, keine Garantie für eine bestimmte Konstruktion: Die Schutzart hängt von der Bauweise des gesamten Gehäuses ab. Wo Chloride vorhanden sind (Salzluft, Sole, chlorhaltige Desinfektionsmittel), ist 316L die sicherere Werkstoffwahl: siehe 304 vs. 316L Edelstahl für Gehäuse und den Edelstahl-Gehäuse-Leitfaden.

Pulverbeschichteter Baustahl wird durch seine Beschichtung geschützt. In der Pulverlackierpraxis wird die Vorbehandlung als Teil des Korrosionsschutzsystems betrachtet: Stahl wird in der Regel mit einer Eisen- oder Zinkphosphatierung versehen, wobei Zinkphosphat der Standard für anspruchsvolle Anwendungen ist. An Stellen, an denen die Beschichtung gebohrt, geschnitten oder beschädigt wird, muss der darunterliegende blanke Stahl ausgebessert werden, da er sonst der Umgebung ausgesetzt ist. Die für Beschichtungen angegebenen Salzsprühstunden sind Vergleichswerte und keine Lebensdauerprognosen: ASTM B117 selbst weist darauf hin, dass die Leistung in natürlichen Umgebungen „selten mit den Ergebnissen von Salzsprühtests korreliert wurde, wenn diese als alleinstehende Daten verwendet werden“.

Aluminium bildet eine dichte, isolierende Oxidschicht, die im pH-Bereich von ca. 4 bis 9 stabil ist. Die Aluminum Association beschreibt die 5xxx (Aluminium-Magnesium-)Serie als korrosionsbeständig in Meeresumgebungen und führt 5052 unter den Elektroniklegierungen auf. Dieselbe Oxidschicht ist der Grund, warum ätzende Reiniger problematisch sind: Die Verarbeitungsanleitung lautet schlicht „Kontakt mit starken Laugen vermeiden“.

Polycarbonat ist beständig gegen verdünnte Säuren sowie die meisten Industrieöle und -fette. Laut den Beständigkeitslisten der Hersteller gelten jedoch Laugen, Ammoniak und Amine als aggressiv und Aceton, MEK sowie aromatische Lösungsmittel als quellungsverursachend. GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) wird in der Petrochemie, in Wasseraufbereitungsanlagen, im Marinesektor sowie in Kontakt mit vielen Lösungsmitteln, Alkoholen und mäßig starken Säuren und Laugen eingesetzt. Bei stark starken Laugen gehen die Beständigkeitstabellen der Gehäusehersteller auseinander, weshalb das konkrete Medium und die Konzentration geprüft werden sollten. Einzelheiten dazu finden Sie unter Polycarbonat- vs. GFK-Gehäuse.

Sonne, UV-Strahlung und Außeneinsatz

• Blanker Edelstahl und Aluminium haben keine Beschichtung, die ausbleichen könnte.
• Pulverbeschichtung: Die Zusammensetzung ist entscheidend. Laut Angaben der Pulverlackindustrie eignen sich epoxidhaltige Pulver, einschließlich Hybride, nicht für den Einsatz im Außenbereich, wenn das äußere Erscheinungsbild erhalten bleiben muss; einfache Polyesterlacke beginnen nach 12 bis 18 Monaten permanenter Bewitterung zu verblassen, verlieren ihren Glanz und kreiden ab; „superdurable“ Polyester halten etwa fünf Jahre, bevor sich Farbe und Glanz verändern. Fragen Sie nach, welche Pulverart für ein Außengehäuse verwendet wird.
• Polycarbonat erfordert im Außenbereich eine UV-stabilisierte Qualität. Ein Gehäusehersteller weist darauf hin, dass klarer Polycarbonatkunststoff bei UV-Einwirkung über einige Jahre hinweg vergilbt und Schlagzähigkeit verliert.
• GFK-Oberflächen zersetzen sich unter UV-Einfluss langsam, bis die Glasfasern an die Oberfläche treten ("Fiber Bloom"). UV-Inhibitoren in der Rezeptur verlangsamen diesen Prozess.

Bei Kunststoffen ist die zu beachtende Außeneinstufung die UL-746C-f1-Einstufung: geeignet für den Außeneinsatz hinsichtlich UV-Lichteinwirkung, Wassereinwirkung und Eintauchen. Sonne erzeugt zudem eine Wärmelast, weshalb ein Kunststoffgehäuse für den Außeneinsatz auch die nachstehende Wärmeprüfung erfüllen muss.

Gewicht, Steifigkeit und Schlagzähigkeit

Aluminium wiegt etwa ein Drittel von Edelstahl (2.7 gegenüber 7.9 g/cm³). Bei gleicher Wandstärke von 1.5 mm wiegt ein Quadratmeter Blech aus 304 etwa 11.9 kg und ein Quadratmeter aus 5052 Aluminium etwa 4 kg (unsere Berechnung basierend auf den Dichten). Dies ist relevant für die Mastmontage und mobile Geräte.

Kunststoffe sind noch leichter. Polycarbonat hat eine sehr hohe Schlagzähigkeit: Das Datenblatt einer UV-stabilisierten Sorte gibt eine Durchstoßenergie von 60 J bei 23 °C und 65 J bei −30 °C an. Der Kerbschlagwert sinkt jedoch zwischen diesen Temperaturen von 70 auf 15 kJ/m², daher sind Kerben und scharfe Ecken bei Kälte kritischer. GFK ist etwa fünfmal steifer als Polycarbonat (11–12.7 GPa gegenüber 2.4 GPa). Schlagfestigkeitseinstufungen für fertige Gehäuse sind produktspezifisch: Fragen Sie nach dem IK-Code gemäß IEC 62262.

Wärme- und Temperaturgrenzen

Metalle leiten Wärme weitaus besser als Kunststoffe: Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei etwa 55 W/m·K für unlegierten Stahl, 15 W/m·K für 304 bei Raumtemperatur, 138 W/m·K für geglühtes 5052 Aluminium, 0.2 W/m·K für Polycarbonat und 0.30–0.36 W/m·K für elektrisch leitfähige Formmassen (SMC). Ein Gehäuse gibt Wärme jedoch hauptsächlich über seine Außenfläche an die Luft ab, und für Wärmeberechnungen von Gehäusen wird ein Oberflächenkoeffizient verwendet:

Referenz A ist ein Whitepaper eines Händlers zur Gehäusedimensionierung; B und C sind technische Dokumente zweier Gehäusehersteller. Sie stimmen bei lackiertem Stahl und Kunststoff überein, sind sich jedoch bei Edelstahl uneinig. Der thermische Hinweis eines Gehäuseherstellers ergänzt, dass unbehandeltes Aluminium und Edelstahl wärmer laufen als lackierte Gehäuse, da sie Wärme weniger effizient abstrahlen, während sich nichtmetallische Gehäuse weitgehend wie lackiertes Metall verhalten. Betrachten Sie Werte für blankes Metall als Näherungswerte und halten Sie einen Puffer ein; siehe Gehäusewärmeberechnung.

Temperaturgrenzen sind eine Frage des Kunststoffs. Ein Gehäusehersteller gibt etwa −50 °C bis +120 °C für Polycarbonat und typischerweise −50 °C bis +150 °C für glasfaserverstärkten Polyester an; ein anderer spezifiziert eine Polycarbonat-Baureihe auf −40 °C bis +80 °C im Dauereinsatz. Nutzen Sie den für das jeweilige Gehäuse veröffentlichten Bereich. Bei Metallgehäusen weist derselbe Hersteller darauf hin, dass die Grenze durch die Dichtung oder Lackierung vorgegeben wird, nicht durch das Metall.

EMV-Abschirmung, Funksignale und Erdung

Metallgehäuse (Stahl, Edelstahl, Aluminium) bilden eine leitfähige Barriere, die Interferenzen reflektiert und absorbiert. Kunststoffe sind elektrische Isolatoren und bieten einen vernachlässigbaren EMI-Schutz, sofern sie nicht beschichtet oder mit einer leitfähigen Schicht versehen sind. Dieselbe Eigenschaft wirkt sich bei Funkverbindungen umgekehrt aus: Ein Funkgerät in einem Stahlgehäuse unterzubringen, entspricht, wie ein Kolumnist für Instrumentierung es ausdrückt, einem Faradayschen Käfig, während Polycarbonat und GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) WLAN-, Mobilfunk- und andere Signale durchlassen. Bei einem Metallgehäuse muss die Antenne nach außen verlegt werden; spezifizieren Sie diese Öffnung zusammen mit Ihren anderen Ausschnitten.

Auch die Erdung unterscheidet sich. Laut NEC, zitiert von Vorschriftenkommentatoren, beschränkt 314.3 nichtmetallische Kästen auf nichtmetallische Verdrahtungsmethoden, sofern nicht eine interne Potentialausgleichsverbindung zwischen allen Metalleinführungen besteht, und 314.4 verlangt, dass Metallkästen gemäß 250.148 an einen Geräteschutzleiter angeschlossen werden. Diese Abschnitte sind für Kästen verfasst: Wenden Sie sie gemäß Ihrer zuständigen Behörde (AHJ) an und prüfen Sie die von ihr durchgesetzte Ausgabe.

Schneiden, Bohren und Modifikation

• Edelstahl: neigt zur Kaltverfestigung. Halten Sie Werkzeuge scharf, sorgen Sie für einen gleichmäßigen Vorschub und vermeiden Sie Verweilzeiten des Werkzeugs. Verwenden Sie ausschließlich Werkzeuge, die für Edelstahl reserviert sind, da von Baustahl übertragener Eisenabrieb auf der Oberfläche rostet.
• Pulverbeschichteter Stahl: Bessern Sie die Farbe an jedem neuen Bohrloch nach, damit kein blanker Stahl freiliegt.
• Aluminium: in den Tabellen eines Herstellers als mittelschwer einstufung, ähnlich wie Stahl. Kanten abschleifen und statt rostfreiem oder Aluminiumschrauben rostfreien oder Aluminiumschrauben verwenden. Für Aluminium im Freien, Schrauben, die galvanische Korrosion an Aluminium verhindern vergleicht die Optionen und zeigt, warum eine Kunststoffschraube allein einen Bolzen nicht isoliert.
• Polycarbonat: lässt sich mit scharfen Werkzeugen leicht maschinell bearbeiten. Mit Luft oder einem leichten Wassersprühnebel kühlen; erdölbasierte Schneidöle und aggressive Kühlschmierstoffe können Rissbildung unter Spannung verursachen.
• GFK: abrasiv. Ein stumpfes Werkzeug ist die häufigste Ursache für ausgefranste Löcher; Lochsägen mit Hartmetall- oder Diamantbestückung arbeiten bei hoher Drehzahl und geringem Vorschub am besten. Staub absaugen sowie Augen- und Atemschutz tragen.

Jede Öffnung muss anschließend mit einer Verschraubung verschlossen werden, die mindestens so hoch eingestuft ist wie das Gehäuse: siehe Ausschnitte, Kabelverschraubungen und HMI-Sichtfenster.

Welcher Werkstoff für welche Anwendung

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. NEMA, "NEMA FAQs: Gehäuse" (Q14 Salzsprühnebel: 600 Std. vs G90, dann 200 Std. vs AISI 304 für Typ 4X)
2. ATI, Typen 302/304/304L/305 Datenblatt (Dichte, Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit)
3. ATI, Datenblatt Typen 316/316L/317/317L (Dichte)
4. Outokumpu, Werkstoffe (Edelstahl), Eigenschaften und globale Standards (Tabelle 12)
5. Kaiser Aluminum, Legierung 5052 Datenblatt
6. Aluminum Association, Legierungsserien (5xxx: Korrosionsbeständigkeit in maritimer Umgebung; 5052 in der Elektronik)
7. Aluminum Association, Elektronik und Haushaltsgeräte
8. Profilgruppen, Korrosionsbeständigkeit von Aluminium (Oxidschicht stabil pH 4–9; starke Laugen vermeiden)
9. Covestro, Makrolon 2807 Polycarbonatdatenblatt
10. Covestro, "Makrolon: chemische Beständigkeit"
11. Altraset AS8125 elektrisches SMC Datenblatt (spezifisches Gewicht, Zugmodul)
12. LyondellBasell, Premi-Glas SMC Datenblatt (Dichte, Wärmeleitfähigkeit)
13. nVent HOFFMAN, Technische Informationen (Werkstoffeigenschaften, Wärmeübertragungsraten)
14. nVent HOFFMAN, Spec-00488 (unbehandeltes Aluminium und Edelstahl werden wärmer; nichtmetallisch ähnlich wie lackiert)
15. AutomationDirect, "How to Select and Size an Enclosure" (Wärmeübergangskoeffizienten nach Werkstoff)
16. Rittal, Whitepaper zum Thema Wärmemanagement (Wärmedurchgangskoeffizienten)
17. Fibox, Polycarbonat-Gehäuseerklärung (Langzeit-Betriebstemperatur)
18. Fibox, Gehäusewerkstoffe
19. ASTM B117, Betrieb von Salzsprühgeräten (Salzsprühnebel)
20. Powder Coated Tough (Powder Coating Institute), Pulverbeschichtungsstrategien für Korrosionsbeständigkeit
21. Powder Coated Tough, "Pretreating for Outdoor Performance" (Zinkphosphatstandard für Stahl)
22. Powder Coated Tough, "Ein Leitfaden zu Pulverbeschichtungen für extreme Betriebsbedingungen"
23. CompositesWorld, UV-Oberflächenabbau von GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) (Durchscheinen der Fasern)
24. UL Solutions, Verständnis der UL-746-Serie (f1 / f2 Einstufungen für den Außenbereich)
25. Interference Technology, neue Techniken zur EMI-Abschirmung
26. Control Global, "Gehäuse sind mehr als nur eine Box"
27. Interstate Plastics, Polycarbonat-Verarbeitungsleitfaden (Kühlmittel und Spannungsrissbildung)
28. Stahlin, Schneiden und Bohren von GFK-Gehäusen (Werkzeuge, Drehzahlen und Vorschübe)
29. Mike Holt, NEC Artikel 250 Kommentar (314.3 nichtmetallische Gehäuse, 314.4 und 250.148)
30. Euro Inox, Beizen und Passivieren von Edelstahl (Selbstpassivierung)
31. SSINA, Zerspanung von Edelstahl
32. BSI, IEC 62262 (IK-Code)