4D-Radar
Eine Schlüsselkomponente für das autonome Fahren
Für das autonome Fahren werden zuverlässige Sensoren benötigt, die bewegte Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs erkennen, und zwar unabhängig von den Sichtverhältnissen in verschiedenen Wettersituationen. Radarsensoren sind dafür eine exzellente Wahl aufgrund ihrer Robustheit und dem vergleichsweise günstigen Preis. Damit der Sensor einwandfrei arbeitet, müssen Verluste beim Tranport der Signale zwischen der Elektronik und den Antennen so weit wie möglich vermieden werden. Das ist die Aufgabe der sogenannten Waveguides, die aus metallbeschichteten Kunststoffplatten bestehen. Für die optimale Leistung des Sensors muss die Metallbeschichtung über die gesamte Lebensdauer defektfrei und von hoher Oberflächengüte bleiben. Die elektrochemische Beschichtung (Galvanik) ist das perfekte Verfahren für diese Anwendung, da Schichten mit hervorragender mechanischer Stabilität und sehr gleichmäßigen und glatten Oberflächen in einer seit vielen Jahrzehnten erprobten Großserienproduktion hergestellt werden können. Der Biconex Vorbehandlungsprozess für PPS-Kunststoffe, dem bevorzugten Material für Waveguides, setzt auf bewährte Verfahren und ist vollständig kompatibel mit üblichen Galvanikautomaten der Automobilindustrie.
Die Vorteile der Galvanik
Was ist besonders wichtig bei der Beschichtung von Waveguides für 4D-Radarsensoren
Welche Schichteigenschaften beeinflussen die Leistung des Sensor besonders stark?
Waveguides für ein Frequenzband von 77GHz benötigen vor allem drei Eigenschaften auf ihrer Oberfläche: Die höchstmögliche elektrischen Leitfähigkeit, eine Mindestschichtdicke über die gesamte Fläche und eine möglichst geringe Rauigkeit. Silber ist das Metall mit der besten elektrische Leitfähigkeit, allerdings auch besonders teuer, gefolgt von Kupfer mit einem wesentlich günstigeren Preis. Mit der galvanischen Beschichtung kann das optimale Preis-Leistungsverhältnis mit einer Kombination aus einer Kupfergrundierung und einer dünnen Silberschicht erreicht werden, da nur mit dieser Methode eine sehr gleichmäßige Schichtdickenverteilung für beide Schichten unabhängig von Ort und Orientierung der jeweiligen Oberflächenbereiche möglich ist. Darüber hinaus werden sogar Restrauigkeiten des Grundmaterials, wie sie z.B. bei nicht optimalen Spritzparametern entstehen können, wieder ausgeglichen. Somit wird die minimal mögliche Signaldämpfung nicht nur unter optimalen Produktionsbedingungen sondern auch unter realen Bedingungen einer Großserienfertigung erreicht.
Welche Faktoren können die Langlebigkeit von Radarsensoren beeinflussen?
Wie bei vielen anderen Komponenten in der Automobilproduktion kann die Funktion von Waveguides auf lange Sicht vor allem durch zyklische Temperaturwechsel während der Lebensdauer beeinträchtigt werden. Die dadurch hervorgerufene wiederholte Ausdehnung und Kontraktion kann zu Rissen im Polymer und zur Ablösung der Metallbeschichtung führen. Während eine höhere Schichtdicke die Rubustheit des gesamten Bauteils positiv beeinflusst, sorgt die mechanische Verzahnung zwischen Kunststoff und Metall, wie sie nur im galvanischen Beschichtungsprozess erzeugt wird, für einen sicheren Schutz gegen Delamination. Das hat sich bereits bei vielen Milliarden dekorativen Teilen in der Automobilproduktion so bewährt.
Worin liegen die Unterschiede zwischen PVD-Beschichtung und Galvanik?
PVD ist die Abkürzung für "physical vapour deposition". Metalle für die Beschichtung werden in einem Hochvakuum durch Eintrag von Energie in den gasförmigen Zustand gebracht und anschließend auf den Bauteiloberflächen kondensiert. Für die Beschichtung von Waveguides kommt die besondere Variante des Sputterns zum Einsatz, die üblicherweise zu etwa 300nm dicken Metallschichten führt. Über die Verlängerung der Beschichtungszeit in großen linearen Anlage kann jedoch die Schichtdicke bei PPS-Kunststoff auf den erforderlichen Wert von 1µm gebracht werden. Da sich die Teile bei diesem Prozess nicht bewegen und der Metalldampf im Wesentlichen aus einer Richtung auf die Teileoberfläche strömt, variiert die Schichtdicke jedoch sehr stark mit der Orientierung der Oberfläche. Galvanik nutzt dagegen flüssige Elektrolyten nahe Raumtemperatur bei Normaldruck. Die Beschichtung von mehreren Mikrometern ist keine Herausforderung und in kürzester Zeit möglich. Die Schichtdicke ist unabhängig von der Oberflächenorientierung und auch bei feinen Strukturen über das gesamte Bauteil gleichmäßig. Im Gegensatz zu PVD-Techniken erfordert die Galvanik eine separate Abwasserbehandlung. Diese ist Standard in allen Kunststoffgalvaniken und ein etablierter Prozess für die Fertigung dekorativer Bauteile.
Welche Faktoren beeinflussen die Kosten der Waveguide-Beschichtung?
Fehlerfreie Radar-Antennen entstehen durch eine homogene, haftfeste Metallbeschichtung (z. B. Kupfer oder Silber) auf hochwertigen Kunststoffen, wobei die Schicht mindestens das Dreifache der Skin-Tiefe (bei Silber und 50 GHz ca. 3 µm) betragen muss. Die Beschichtung darf keine Löcher oder kahlen Stellen aufweisen und muss auch bei Temperaturschwankungen (-20 °C bis über +100 °C) stabil bleiben. Zudem ist ein durchgehender, elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den Bauteilen unerlässlich, um Signalverluste zu vermeiden.
Sowohl für die PVD-Beschichtung als auch für die Galvanik stehen hochautomatisierte Anlagen zur Verfügung. Kostenunterschiede beschränken sich daher auf die Investitionen, das Material und die Energie. PVD-Verfahren benötigen mindestens 10 mal mehr Energie für die Beschichtung der gleichen Mengen Metall im Vergleich zur Galvanik. Wird zur Verbesserung der Robustheit der Waveguides mit der galvanischen Methode eine 5 mal höhere Kupferschichtdicke verwendet, ist der Energieverbrauch bei der PVD-Methode somit immer noch doppelt so hoch. Bei einer Betrachtung der gesamten Materialkosten ist der Preis für Kupfer nahezu zu vernachlässigen, nicht jedoch der für Silber. Bei der PVD-Technik treten prinzipbedingt generell höhere Materialverluste auf, da immer ein Teil der Beschichtung in der Kammer und auf den Halterungen verbleibt und nur schwer rückgewonnen werden kann. Außerdem muss durch die ungleichmäßige Beschichtung und die Forderung nach einer Mindestschichtdicke mehr Silber verwendet werden. Galvanische Verfahren sind in Bezug auf die Materialnutzung dagegen hocheffizient. Am deutlichsten wird der Unterschied der Verfahren jedoch bei den Investitionen. Für die galvanische Beschichtung können bereits vorhandene und verfügbare Anlagen genutzt werden. Die PVD-Beschichtung von Waveguides erfordert hochspezialisierte Anlagen, die speziell für diesen Zweck gefertigt werden und die aufgrund der drohenden Kontaminierung nicht mit der Beschichtung anderer Produkte kombiniert werden können.
Welche Aspekte sind bei der Massenfertigung von Waveguides zu berücksichtigen?
Wie bereits erwähnt erfordert die Beschichtung von Waveguides mit PVD-Technik spezielle lineare Produktionsanlagen, um den erforderlichen Durchsatz erreichen zu können. Sie werden speziell für diese Anwendung gefertigt und erfordern hohe Investitionen. Eine Schichtdicke von mindestens einem Mikrometer über die gesamte Oberfläche ist für diese Technik kein Standard und stellt Herausforderungen besonders für die benötigte Schichthaftung dar. Auch wenn Erfahrungen mit der Massenproduktion punktuell bereits vorhandne sind, ist dazu ein hohes Maß an Know-How erforderlich. Die galvanische Beschichtung von Waveguides kann dagegen in bereits vorhandenen Anlagen erfolgen, die sonst für die dekorative Verchromung eingesetzt werden. Die notwendigen Anpassungen bewegen sich im Rahmen der typischen Umrüstung auf verschiedene Schichtsysteme. Derartige Anlagen stehen weltweit bereits zur Verfügung. Die Technik ist seit vielen Jahrzehnten etabliert und bei der Fertigung ist eine Auswahl aus einer Vielzahl von Anbietern mit bereits langjähriger Erfahrung in der Automobilprodution möglich.