Bei der Entwicklung von Mittelfrequenztransformatoren von 2 kHz bis 40 kHz und hochfrequenten Drosseln von 100 kHz bis 400 kHz stehen Miniaturisierung, Energieeffizienz, hohe Schaltfrequenzen und eine wachsende Leistungsdichte im Mittelpunkt. Diese Ziele stellen auch besondere Herausforderungen an das Heat Management und die Werkstofftechnik. Mit dem Aufbau des Block CoCreationCenters für Mittel- und Hochfrequenz-Induktivitäten möchte das Unternehmen den Entwicklungsprozess für individuelle elektrotechnische Komponenten wie Schaltnetzteile, neue Batterieladesysteme oder Drosseln, Transformatoren und Filter zur Gewährleistung der Netzstabilität deutlich beschleunigen. Ein räumlich und organisatorisch verzahntes, interdisziplinäres Expertenteam arbeitet im Entwicklungszentrum zukünftig eng mit den Kunden zusammen, um den Weg von der ersten technischen Spezifikation bis zum funktionsfähigen Prototyp zu verkürzen.
Fortschritte im Mittel- und Hochfrequenzbereich
Die Anforderungen an Drosseln und Transformatoren für moderne Umrichtersysteme und Filter für die Stabilisierung von Netzen aufgrund hochfrequenter Schaltvorgänge sind in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Heute werden besonders kompakte, leichte und gleichzeitig leistungsfähige Produkte gefordert. Die Voraussetzungen dafür wurden bei Block durch zum Beispiel innovative Wickeltechniken und neue Designansätze geschaffen. Auch der Einsatz hochpermeabler Ferritkerne oder geschnittenen beziehungsweise ungeschnittenen nanokristallinen Kernen in mittelfrequenten Transformatoren oder stromkompensierten Drosseln ermöglicht alternative Kühl- und Wickelkonzepte. Die Entwicklung initiiert eine wesentliche Größenreduzierung der induktiven Komponenten, damit in Zukunft kompakte und robuste Induktivitäten möglich werden. Auch mit der Future Winding-Technologie setzt Block Maßstäbe bei der Leistungsoptimierung induktiver Wickelgüter. Mit dieser kapazitätsarmen Hochkantwickeltechnik können unter anderem eine bessere Wärmeableitung, eine hohe Stromdichte, die exakte Anpassung an die Kerngeometrie und eine steuerbare Feldverteilung erreicht werden. Diese Optimierungen gehen einher mit reduzierten Kosten, geringerem Bauvolumen und weniger Gewicht.
Forschung und Fertigungstechnik kombiniert – Best Practice für Umrichter und Leistungselektronik
Diese technischen Erfolge sind das Ergebnis intensiver Entwicklungstätigkeit. So betreibt Block seit rund zehn Jahren eine eigene Grundlagenforschung zum Thema Wickelgüter. Hier hat sich bereits eine fruchtbare Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungsinstituten entwickelt. Jetzt sollen diese Kompetenzen für einen schnelleren Wissenstransfer mit der Fertigung im Unternehmen verbunden werden. So hat das Expertenteam direkten Zugriff auf alle denkbaren Vormaterialien wie Wickeldrähte, Litzen, Hochfrequenzlitzen sowie Bleche und Kernmaterialien, um so individuelle Wickelgüter erstellen zu können.
Wickelmaschinen, Elektronikfertigung, eine Spritzgussfertigung mit eigener Formenentwicklung, Blechbearbeitung durch Stanzen, Biegen, Abkanten und Schneiden, 3D-Druck zum Aufbau komplexer Kunststoffstrukturen sowie eine CNC-Fräse zur schnellen Produktion von Werkstücken aus massivem Material erlauben eine optimale Fertigungstiefe. Durch den hohen Individualisierungsgrad der Kundenaufträge wird teilweise im One-Piece-Flow gearbeitet, bei dem ein Mitarbeiter die Induktivität bis zur Fertigstellung betreut.
In Bestzeit zum Prototypentest
Das Block CoCreationCenter versteht sich als Ideenwerkstatt, die alle Partner und Kunden sowie Universitäten und Forschungsinstitute schon in einem frühen Stadium des Innovationszyklus begleitet und bei der Entwicklung neuer Konzepte unterstützt. So sollen Know-how und Innovation bei Mittelfrequenztransformatoren und Hochfrequenzinduktivitäten ausgebaut und eine ganzheitliche Bearbeitung von Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ermöglicht werden. Christian Kliesch, Bereichsleiter für Mittel- und Hochfrequenzinduktivitäten bei Block, sieht in der räumlichen und fachlichen Verzahnung des agilen Teams enorme Synergieeffekte: „Wir wollen möglichst kurze Wege zwischen elektrischer Auslegung, mechanischer Konstruktion, Musterbau und Produktion erreichen, um den Kunden schnellstmöglich ausgereifte Produkte für die weitere Erprobung in seinen Projekten zur Verfügung zu stellen. Dank unserer Fertigungstiefe können wir mit optimalen Iterationsschleifen binnen kurzer Zeit Prototypen für Tests liefern und so neue Energieversorgungskonzepte von Anfang an bis zur Serienreife begleiten“, so Kliesch.
Herausforderung: Auslegung von Systemen
Prototypen aus dem Block CoCreationCenter richten sich ausdrücklich an Kunden, die in einer frühen und experimentellen Entwicklungsphase hochfrequente Drosseln, Filter oder Transformatoren passend für ihr Projekt benötigen. Dafür ist der Spezialist in Verden traditionell optimal aufgestellt, denn bereits im serienmäßigen Produktportfolio für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau, der Bahn- und Antriebstechnik oder den erneuerbaren Energien wird zu über 80 Prozent kundenspezifisch gefertigt.
Hat ein Entwickler für sein neues Projekt ein Konzept – beispielsweise zur Spannungsversorgung – entwickelt, kann er direkt von der Erfahrung des CoCreation-Teams in der Umsetzung profitieren. Möglichkeiten der Miniaturisierung und der Energieeffizienz sollten ebenso frühzeitig bedacht werden wie Wärmeabfuhr, Materialkosten, Störeinflüsse und der Gesamtaufbau für die spätere Montage im Produkt. In dieser frühen Phase sind noch nicht alle Parameter festgeschrieben und können entsprechend einfach geändert werden.
5 Steps to Serial: Im Block C3 arbeiten interdisziplinäre Teams an kundenspezifischen Lösungen Hand in Hand in erprobten Prozessen. So steht ein kontinuierlicher Austausch zum Kunden während des gesamten Entwicklungs- und Prüfungsprozesses sowie Prototypings bis zur Serienfertigung.
Iterationsphasen sinnvoll gestaffelt
In Plausibilitätsprüfungen wird dann untersucht, ob mit dem vorliegenden Konzept die geforderten Toleranzen, Abmessungen oder Verlustleistungen eingehalten werden können. Durch Flexibilität und Schnelligkeit im Musterbau von Prototypen sowie der Simulationen von Verlustleistungen und der zu erwartenden Erwärmung des Produktes gewinnen Kliesch und sein Team weitere Erkenntnisse, können erste Kostenkalkulationen vornehmen und dem Kunden Empfehlungen für Anpassungen beispielsweise der Schaltung, des Bauraums oder des Heat Managements geben.
In der nächsten Runde erfolgt die reale Umsetzung. Das CoCreation-Team erstellt detaillierte 3D-Zeichnungen und digitale Daten der Projekte für den Kunden. Anhand dieses digitalen Zwillings werden erste Muster produziert, die der Kunde in seiner Applikation testen und durch Messungen ausgiebig prüfen kann. Auf dieser Basis kann das Produkt, falls erforderlich, nochmals angepasst und für die realen Einsatzbedingungen optimiert werden. Der Übergang in die Block Serienproduktion ist damit ohne weitere Schritte möglich.
Kühlkörper angebundener Resonanzwandler mit eingestellter Streuinduktivität angepasst auf eine kundenspezifische Schaltung. Im Hintergrund Prototyp für die Plausibilitätsprüfung.
Grundlagenforschung für die Praxis
Mit dem Block CoCreationCenter fördert das Unternehmen den institutionsübergreifenden, interdisziplinären Wissenstransfer in der elektrotechnischen Forschung und Entwicklung. Die Erkenntnisse der hauseigenen Grundlagenforschung können direkt in praxisnahe Konzepte an der Schwelle zur Serienreife überführt werden, während die Entwickler in Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen mit der Erfahrung und Unterstützung durch das Block Team schneller zu besseren Lösungen für ihr Projekt kommen. Block tritt so mit dem Ziel an, eine partnerschaftliche Win-win-Situation für alle Projektbeteiligten zu generieren.
