DE102018214324A1 - Component for a high-voltage system and method for its production - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil (1) für eine Hochspannungsanlage. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil einen mittels 3D-Druck hergestellten Kunststoffkörper (2) aufweist, der von einer mittels Galvanisieren aufgebrachten leitenden Außenbeschichtung (4) zumindest teilweise umschlossen ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Hochspannungsanlage mit dem Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils.The present invention relates to a component (1) for a high-voltage system. The invention is characterized in that the component has a plastic body (2) produced by means of 3D printing, which is at least partially enclosed by a conductive outer coating (4) applied by means of galvanizing. The invention further relates to a high-voltage system with the component and a method for producing the component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Hochspannungsanlage.The invention relates to a component for a high-voltage system.

Üblicherweise umfasst eine Hochspannungsanlage eine Vielzahl an Bauteilen, die jeweils für unterschiedliche Aufgaben vorgesehen sein können und daher unterschiedlichen Anforderungen genügen müssen.A high-voltage system usually comprises a large number of components, which can each be provided for different tasks and therefore have to meet different requirements.

Hohe Anforderungen bezüglich ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften gelten insbesondere auch für Bauteile, die im Betrieb der Hochspannungsanlage mit einer hohen Spannung von mehr als 100 kV beaufschlagt sind.High requirements with regard to their mechanical and electrical properties also apply in particular to components which are subjected to a high voltage of more than 100 kV during operation of the high-voltage system.

Die zur Herstellung solcher Bauteile eingesetzten bekannten Verfahren, wie Fräsen, Drehen oder Gießen, sind relativ kosten- und zeitintensiv. Dies gilt sowohl für den Herstellungsprozess selbst als auch für dessen Planung. Hierbei sind sowohl der Materialeinsatz (Modell, Werkzeuge, ggf. Gussform) als auch die Planung und Simulation teuer. Daraus resultiert wiederum eine lange Lieferzeit. Vor allem bei Kleinserien kann dies unwirtschaftlich sein.The known methods used to manufacture such components, such as milling, turning or casting, are relatively costly and time-consuming. This applies both to the manufacturing process itself and to its planning. Here, the use of materials (model, tools, possibly mold) as well as planning and simulation are expensive. This in turn results in a long delivery time. This can be uneconomical, especially for small series.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein artgemäßes Bauteil vorzuschlagen, das kostengünstig herstellbar und zugleich zuverlässig im Betrieb ist.The object of the invention is therefore to propose a type-appropriate component that is inexpensive to manufacture and at the same time reliable in operation.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil für eine Hochspannungsanlage, gelöst, das einen mittels 3D-Druck hergestellten Kunststoffkörper aufweist, der von einer mittels Galvanisieren aufgebrachten leitenden Außenbeschichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umschlossen ist. Entsprechend weist das Bauteil einen Kern aus Kunststoff, der durch 3D-Druck geformt und hergestellt ist. Der Kern des Bauteils bzw. der Kunststoffkörper ist außen mit einer leitenden Beschichtung versehen, die in einem elektrochemischen Galvanisierungsprozess aufgebracht wurde. Der Kunststoffkörper kann dabei einen oder mehrere Kunststoffe bzw. Kunststoffgemische umfassen, wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Auch ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der verwendete Kunststoff geeignete Füllstoffe umfasst. Das erfindungsgemäße Bauteil weist einen Kostenvorteil gegenüber gegossenen oder gefrästen Komponenten. Zugleich ist das erfindungsgemäße Bauteil auch gegenüber mittels 3D-Druck aus Metall hergestellten Bauteilen kostengünstiger. Zudem ist das erfindungsgemäße Bauteil zuverlässig im Betrieb, weil sich aufgrund des Skin-Effektes die elektrischen Felder des Bauteils im Wesentlichen genauso, wie Bauteile aus einem leitenden Vollmaterial verhalten. Ferner sind der D3-Druck und der Galvanisierungsprozess vorteilhaft schnell, da diese in wenigen Tagen durchgeführt werden können, keiner aufwendigen Planung bedürfen und hochgradig automatisiert und für jede Bauteilgeometrie weitgehend ähnlich ablaufen.The object is achieved according to the invention by a component for a high-voltage system, which has a plastic body produced by means of 3D printing, which is at least partially, preferably completely, enclosed by a conductive outer coating applied by means of electroplating. Accordingly, the component has a core made of plastic, which is shaped and produced by 3D printing. The core of the component or the plastic body is provided on the outside with a conductive coating that was applied in an electrochemical electroplating process. The plastic body can include one or more plastics or plastic mixtures, such as acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS). It is also conceivable within the scope of the invention that the plastic used comprises suitable fillers. The component according to the invention has a cost advantage over cast or milled components. At the same time, the component according to the invention is also more cost-effective than components made from metal by means of 3D printing. In addition, the component according to the invention is reliable in operation because, due to the skin effect, the electrical fields of the component behave essentially the same as components made of a solid conductive material. Furthermore, the D3 printing and the electroplating process are advantageously fast, since they can be carried out in a few days, do not require any complex planning and are highly automated and largely similar for each component geometry.

Geeigneterweise weist das Bauteil eine leitende Zwischenschicht auf, die vorzugsweise Palladium umfasst und zwischen dem Kunststoffkörper und der Außenbeschichtung angeordnet ist. Die Zwischenschicht dient zur verbesserten Bindung der leitenden Außenbeschichtung an den Kunststoffkörper.The component suitably has a conductive intermediate layer, which preferably comprises palladium and is arranged between the plastic body and the outer coating. The intermediate layer serves to improve the bonding of the conductive outer coating to the plastic body.

Bevorzugt umfasst die Außenbeschichtung Silber oder Chrom. Diese Materialien zeichnen sich durch besonders gute elektrische Eigenschaften aus. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Außenbeschichtung Kupfer, wobei eine Nickelschicht vorgesehen ist, die zwischen dem Kunststoffkörper und der Außenbeschichtung angeordnet ist. In diesem Fall ist die Zwischenschicht gegebenenfalls zwischen dem Kunststoffkörper und der Nickelschicht angeordnet.The outer coating preferably comprises silver or chrome. These materials are characterized by particularly good electrical properties. According to an alternative embodiment of the invention, the outer coating comprises copper, a nickel layer being provided, which is arranged between the plastic body and the outer coating. In this case, the intermediate layer is optionally arranged between the plastic body and the nickel layer.

Vorzugsweise weist die Außenbeschichtung eine Dicke zwischen 3 Mikrometern und 15 Mikrometern, bevorzugt zwischen 4 Mikrometern und 11 Mikrometern, auf. Eine kleinere Dicke der Au-ßenbeschichtung senkt vorteilhaft die Kosten des Bauteils, während eine größere Dicke der Außenbeschichtung vorteilhaft für eine höhere mechanische Stabilität sorgt.The outer coating preferably has a thickness between 3 micrometers and 15 micrometers, preferably between 4 micrometers and 11 micrometers. A smaller thickness of the outer coating advantageously lowers the cost of the component, while a larger thickness of the outer coating advantageously ensures higher mechanical stability.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Außenbeschichtung eine variierende Dicke auf, so dass eine Außenoberfläche des Bauteils verbesserte dielektrische Oberflächeneigenschaften aufweist. Die verbesserten dielektrischen Oberflächeneigenschaften beziehen sich dabei auf die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes, das durch die Oberflächeneigenschaften der Außenoberfläche bestimmt wird. Die Verbesserung ist hierbei auf diejenige Außenoberfläche bezogen, die bei einer überall gleichen Dicke der Außenbeschichtung entstehen würde. Gemäß dieser Ausführungsform ist durch eine Variation der Dicke der Außenbeschichtung vorteilhaft erreicht, dass Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Kunststoffkörpers, die beim 3D-Druck entstanden sein können, mittels der Außenbeschichtung ausgeglichen sind. Auf diese Weise ist eine besonders gleichmäßige Außenoberfläche mit entsprechend guten Oberflächeneigenschaften bereitgestellt. Die Variation der Dicke ist demnach insbesondere nicht beliebig, sondern auf die bezweckte Vergleichmäßigung der Außenoberfläche gerichtet.According to one embodiment of the invention, the outer coating has a varying thickness, so that an outer surface of the component has improved dielectric surface properties. The improved dielectric surface properties relate to the uniformity of the electric field, which is determined by the surface properties of the outer surface. The improvement is related to the outer surface that would be the same with the same thickness of the outer coating. According to this embodiment, by varying the thickness of the outer coating, it is advantageously achieved that irregularities on the surface of the plastic body, which may have arisen during 3D printing, are compensated for by means of the outer coating. In this way, a particularly uniform outer surface with correspondingly good surface properties is provided. The variation in thickness is therefore in particular not arbitrary, but is aimed at the intended homogenization of the outer surface.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil ein Abschirmelement zur elektrischen Abschirmung stromführender Komponenten der Hochspannungsanlage. Damit ist das Bauteil zwar dazu vorgesehen, im Betrieb zumindest zeitweise mit einer hohen Spannung, beispielsweise einer Spannung von mehr als 1 MV beaufschlagt zu werden. Allerdings ist das Bauteil dabei nicht stromführend. Vielmehr liegt der durch das Bauteil fließende Betriebsstrom unterhalb von 1 A. Beim Abschirmelement kann es sich beispielsweise um eine Leiterabschirmung oder um einen Korona-Ring handeln.According to a further embodiment of the invention, the component is a shielding element for the electrical shielding of current-carrying components of the high-voltage system. The component is thus intended to be subjected to a high voltage, for example a voltage of more than 1 MV, at least temporarily during operation. However, the component is not live. Rather, the operating current flowing through the component is less than 1 A. The shielding element can be, for example, a conductor shield or a corona ring.

Die Erfindung betrifft ferner eine Hochspannungsanlage mit einer stromführenden Komponente und einem Abschirmelement zur elektrischen Abschirmung der stromführenden Komponente. The invention further relates to a high-voltage system with a current-carrying component and a shielding element for electrically shielding the current-carrying component.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Hochspannungsanlage vorzuschlagen, die möglichst kostengünstig und zuverlässig ist.The object of the invention is to propose such a high-voltage system that is as inexpensive and reliable as possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer artgemäßen Hochspannungsanlage dadurch gelöst, dass das Abschirmelement ein erfindungsgemäßes Bauteil ist.The object is achieved according to the invention in a high-voltage system of the type in that the shielding element is a component according to the invention.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage ergeben sich insbesondere aus den zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteil beschriebenen Vorteilen. Hierbei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn mehrere Komponenten der Hochspannungsanlage als erfindungsgemäße Bauteile ausgebildet sind.The advantages of the high-voltage system according to the invention result in particular from the advantages described above in connection with the component according to the invention. It can be particularly advantageous here if several components of the high-voltage system are designed as components according to the invention.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine Hochspannungsanlage.Furthermore, the invention relates to a method for producing a component for a high-voltage system.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren anzugeben, das möglichst einfach und kostengünstig ist.The object of the invention is to provide such a method which is as simple and inexpensive as possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein artgemäßes Verfahren gelöst, bei dem das Bauteil mittels 3D-Drucks zu einem Kunststoffkörper geformt und anschließend mittels Galvanisieren mit einer den Kunststoffkörper zumindest teilweise umschließenden leitenden Außenbeschichtung versehen wird. Die Vorteile des Verfahrens entsprechen denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteil erörtert wurden. Der Kunststoffkörper kann geeigneterweise auch durch die Außenbeschichtung vollständig umschlossen werden.The object is achieved according to the invention by a method of the type in which the component is formed into a plastic body by means of 3D printing and then provided with a conductive outer coating which at least partially surrounds the plastic body by means of electroplating. The advantages of the method correspond to those which have already been discussed in connection with the component according to the invention. The plastic body can also be suitably completely enclosed by the outer coating.

Zum Herstellen der Außenbeschichtung wird vorzugsweise Kupfer, Silber oder Chrom verwendet, wobei auch andere leitende Materialien denkbar sind. Zudem kann das Bauteil vor dem Herstellen der Außenbeschichtung mit einer leitenden Zwischenschicht versehen werden, wobei zum Herstellen der Zwischenschicht Palladiumkeime verwendet werden können. Copper, silver or chrome is preferably used to produce the outer coating, although other conductive materials are also conceivable. In addition, the component can be provided with a conductive intermediate layer before the outer coating is produced, it being possible to use palladium nuclei for producing the intermediate layer.

Zweckmäßigerweise wird eine Dicke der Außenbeschichtung zur Verbesserung von dielektrischen Oberflächeneigenschaften einer Außenoberfläche des Bauteils variiert. Die Dicke wird demnach gezielt beim Herstellungsprozess variiert, so dass die Oberflächeneigenschaften gegenüber dem Fall gleich bleibender Dicke verbessert werden. Die Außenoberfläche ist insbesondere gleichmäßiger als die Oberfläche des Kunststoffkörpers vor der Herstellung der Außenbeschichtung.A thickness of the outer coating is expediently varied in order to improve the dielectric surface properties of an outer surface of the component. The thickness is accordingly specifically varied in the manufacturing process, so that the surface properties are improved compared to the case of constant thickness. The outer surface is, in particular, more uniform than the surface of the plastic body before the outer coating is produced.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.The invention is further explained below using an exemplary embodiment shown in the figure.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils in einer schematischen Seitendarstellung.The figure shows an embodiment of a component according to the invention in a schematic side view.

In der Figur ist ein Bauteil für eine Hochspannungsanlage in Form eines Leiterabschirmelements 1 dargestellt. Das Leiterabschirmelement 1 umfasst einen 3D-gedruckten Kunststoffkörper 2. Aufgrund der Herstellungsmethode des Kunststoffkörpers 2 weist dieser herstellungsbedingt eine unregelmäßige Oberfläche 3, die damit relativ schlechte elektrische Oberflächeneigenschaften aufweist.In the figure is a component for a high-voltage system in the form of a conductor shielding element 1 shown. The conductor shielding element 1 includes a 3D printed plastic body 2 , Due to the manufacturing method of the plastic body 2 has an irregular surface due to the manufacturing process 3 , which thus has relatively poor electrical surface properties.

Das Leiterabschirmelement 1 umfasst ferner eine dünne Zwischenschicht 8 und eine äußere leitende Außenbeschichtung 4, die im dargestellten Beispiel aus Silber ist. Es ist erkennbar, dass eine Dicke D der Außenbeschichtung 4 nicht konstant ist, so dass eine Außenoberfläche 5 des Leiterabschirmelements 1 gleichmäßiger als die Oberfläche 3 des Kunststoffkörpers 2 ist.The conductor shielding element 1 further comprises a thin intermediate layer 8th and an outer conductive outer coating 4 which is made of silver in the example shown. It can be seen that a thickness D the outer coating 4 is not constant, so an outer surface 5 the conductor shielding element 1 more even than the surface 3 of the plastic body 2 is.

Das Leiterabschirmelement 1 weist eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung 6 bzw. 7. Durch die Durchgangsöffnungen 6, 7 kann ein stromführender Leiter 9 der Hochspannungsanlage hindurchgeführt werden.The conductor shielding element 1 has a first and a second through opening 6 respectively. 7 , Through the through openings 6 . 7 can be a live conductor 9 the high-voltage system.

Der Herstellungsprozess des Bauteils 1 kann wie folgt beschrieben werden. Mittels des 3D-Drucks wird zunächst der Kunststoffkörper 2 hergestellt. Auf den Kunststoffkörper 2 werden Palladiumkeime zur Herstellung der Zwischenschicht 8 aufgebracht, worauf mittels elektrochemischer Galvanisierung die leitende Außenbeschichtung 4 hergestellt wird. Die Dicke D der Außenbeschichtung 4 wird dabei derart gezielt variiert, dass die Außenoberfläche 5 des Bauteils verbesserte Oberflächeneigenschaften aufweist.The manufacturing process of the component 1 can be described as follows. First, the plastic body is made by means of 3D printing 2 manufactured. On the plastic body 2 become palladium seeds for the production of the intermediate layer 8th applied, whereupon the conductive outer coating by means of electrochemical galvanization 4 will be produced. The fat D the outer coating 4 is varied in such a way that the outer surface 5 of the component has improved surface properties.

Claims (13)

Bauteil (1) für eine Hochspannungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) einen mittels 3D-Druck hergestellten Kunststoffkörper (2) aufweist, der von einer mittels Galvanisieren aufgebrachten leitenden Außenbeschichtung (4) zumindest teilweise umschlossen ist.Component (1) for a high-voltage system, characterized in that the component (1) has a plastic body (2) produced by means of 3D printing, which is at least partially enclosed by a conductive outer coating (4) applied by means of galvanizing. Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei das Bauteil eine leitende Zwischenschicht (8) aufweist, die zwischen dem Kunststoffkörper (2) und der Außenbeschichtung (4) angeordnet ist. Component (1) after Claim 1 , The component having a conductive intermediate layer (8) which is arranged between the plastic body (2) and the outer coating (4). Bauteil (1) Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenbeschichtung (4) Silber oder Chrom umfasst.Component (1) Claim 1 or 2 , wherein the outer coating (4) comprises silver or chrome. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenbeschichtung (4) Kupfer umfasst, und wobei eine Nickelschicht vorgesehen ist, die zwischen dem Kunststoffkörper und der Außenbeschichtung (4) angeordnet ist.Component (1) after Claim 1 or 2 , wherein the outer coating (4) comprises copper, and wherein a nickel layer is provided, which is arranged between the plastic body and the outer coating (4). Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Außenbeschichtung (4) eine Dicke (D) zwischen 3 Mikrometern und 15 Mikrometern aufweist.Component (1) according to one of the preceding claims, wherein the outer coating (4) has a thickness (D) between 3 micrometers and 15 micrometers. Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Außenbeschichtung (4) eine variierende Dicke (D) aufweist, so dass eine Außenoberfläche (5) des Bauteils (1) verbesserte dielektrische Oberflächeneigenschaften aufweist.Component (1) according to one of the preceding claims, wherein the outer coating (4) has a varying thickness (D), so that an outer surface (5) of the component (1) has improved dielectric surface properties. Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (1) ein Abschirmelement zur elektrischen Abschirmung stromführender Komponenten (9) der Hochspannungsanlage ist.Component (1) according to one of the preceding claims, the component (1) being a shielding element for electrically shielding current-carrying components (9) of the high-voltage system. Hochspannungsanlage mit einer stromführenden Komponente (9) und einem Abschirmelement (1) zur elektrischen Abschirmung der stromführenden Komponente (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement ein Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.High-voltage system with a current-carrying component (9) and a shielding element (1) for electrically shielding the current-carrying component (9), characterized in that the shielding element is a component according to one of the Claims 1 to 6 is. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) für eine Hochspannungsanlage, bei dem das Bauteil (1) mittels 3D-Drucks zu einem Kunststoffkörper (2) geformt und anschließend mittels Galvanisieren mit einer den Kunststoffkörper (2) zumindest teilweise umschließenden leitenden Außenbeschichtung (4) versehen wird.Method for producing a component (1) for a high-voltage system, in which the component (1) is formed into a plastic body (2) by means of 3D printing and then provided with a conductive outer coating (4) at least partially surrounding the plastic body (2) becomes. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Herstellen der Außenbeschichtung (4) Kupfer, Silber oder Chrom verwendet wird.Procedure according to Claim 9 , wherein copper, silver or chrome is used to produce the outer coating (4). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (1) vor dem Herstellen der Außenbeschichtung (4) mit einer leitenden Zwischenschicht (8) versehen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the component (1) is provided with a conductive intermediate layer (8) before the outer coating (4) is produced. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zum Herstellen der Zwischenschicht (8) Palladiumkeime verwendet werden.Procedure according to Claim 11 , wherein palladium nuclei are used to produce the intermediate layer (8). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine Dicke (D) der Außenbeschichtung (4) zur Verbesserung von dielektrischen Oberflächeneigenschaften einer Außenoberfläche (5) des Bauteils (1) variiert wird.Procedure according to one of the Claims 9 to 12 A thickness (D) of the outer coating (4) is varied to improve the dielectric surface properties of an outer surface (5) of the component (1).
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