Erfahren Sie, was es mit den IP Schutzarten auf sich hat, wie der IP Schutz bei einem Gehäuse aussehen kann und was das ganze mit Fort Knox und einer Hütte zu tun hat.

1. Der IP-Schutz und Fort Knox

Wie schützen Menschen seit tausenden von Jahren ihre wertvollsten Besitztümer vor unerwünschten Eindringlingen oder Witterungseinflüssen? Je nach Schutzanspruch, geographischer Lage und Budget werden dicke Mauern, Wände oder andere Ummantelungen drum herum gebaut.

So dient am Ende sowohl eine einfache Holzhütte als auch Fort Knox dem Schutz des Innenlebens. Der Schutzgrad ist aber zweifelsohne ein anderer.

Kleine Holzhütte zwischen Nadelbäumen

Holzhütte: Schützt das Innenleben vor Regen

Innenhof von Fort Knox mit Rasen

Fort Knox: Schützt das Innenleben vor fast allem

Was hat das nun alles mit einem Metallgehäuse und der IP Schutzart zu tun?

Beim Bau eines Gebäudes entscheiden wir uns für Vorkehrungen, die der langen und unversehrten Erhaltung unseres Eigenheims dienen, aber auch in das Baubudget passen. Bei Isolierungen, Abdichtungen, dem passenden Baumaterial etc. werden sich die allermeisten von uns am „so viel wie nötig, so wenig wie möglich“-Prinzip orientieren und an der ein oder anderen Stelle pragmatische Lösungen den aufwendigeren vorziehen.

Warum sollte dies anders sein, wenn Sie ein Gehäuse zum Schutz von Elektronik suchen?

Auch hier bestimmt die Sensibilität des Inhalts, der Anwendungsbereich und das Budget, wie umfangreich der Schutz gegen Berührung, Fremdkörper und Wasser aussehen soll. Die Höhe des Schutzgrades gegenüber diesen Einflüssen ist im IP-Code (International Protection / Ingress Protection) festgelegt.

Bevor wir auf die verschiedenen Möglichkeiten eingehen, um einen IP Schutz bei einem Gehäuse zu erreichen, folgt ein kleiner Crashkurs für IP-Neulinge. Alle anderen können direkt im Anschluss weiterlesen 😉

Crashkurs – IP Schutz bei Gehäusen

1. Was bedeuten die Ziffern der IP Klassifizierung

Die beiden nummerischen Kennziffern des IP-Codes geben an, gegen welche äußeren Einflüsse das Produktgehäuse geschützt ist.

Die erste Ziffer weist den Schutz des Gehäuses gegenüber Berührungen und dem Eindringen von Fremdkörpern aus. In das Gehäuseinnere sollte man beispielsweise nicht mit seinem Finger oder einem Werkzeug gelangen können.

Der zweiten Ziffer lässt sich entnehmen, wie hoch der Schutzgrad des Gehäuses gegenüber Feuchtigkeit und Wasser ist. Der IP-Code lässt sich daher ganz einfach lesen, denn je höher die beiden Ziffern sind, desto höher ist der Schutz. In dieser Tabelle können Sie die jeweiligen Schutzarten der beiden Ziffern des IP-Codes noch einmal im Detail nachlesen.

Grafik einer IP-Schutztabelle

Was bedeutet beispielsweise IP 54?

Ein Gehäuse, dass die Schutzart IP 54 erfüllt, bietet einen vollständigen Berührungsschutz, Staub kann nur in geringer Menge eindringen und Spritzwasser von allen Seiten darf dem Gehäuseinneren nichts anhaben.

2. Warum ist der richtige IP Schutz nun so wichtig?

Dringen Staub und Flüssigkeiten in das Innere eines Gehäuses ein, beeinflusst dies nicht unbedingt sofort den Betrieb des Produktes. Allerdings können die durch Feuchtigkeit und Staub entstehenden Mikroklimate die Lebensdauer der internen Komponenten erheblich einschränken. Kunden lieben allerdings langlebige Produkte 😉

3. Wie lässt sich überprüfen, welche IP-Schutzart ein Produktgehäuse erfüllt?

Ob ein Gegenstand mit dem Durchmesser eines Fingers, eines Werkzeuges oder eines Drahts in das Gehäuseinnere eindringen kann, lässt sich recht einfach mit entsprechenden Prüfutensilien testen. Aufwendiger wird das Ganze, wenn getestet werden soll, wie staubdicht das Gehäuse ist. Dazu wird in Staubkammern geprüft, ob und in welchem Ausmaß übliche Prüfstäube (bspw. Arizona Staub, Talkumpuder) in ein Gehäuse eindringen können.

Damit die Bedingungen möglichst realistisch sind, wird der Luftdruck im Inneren des Gehäuses mit einer Vakuumpumpe reduziert. Beim Betrieb des Produktes können Temperaturschwankungen genau zu einer solchen Verringerung des Luftdrucks führen und selbstverständlich sollte das Gehäuse auch dann vor dem Eindringen des Staubs geschützt sein.

Als staubgeschützt gilt ein Gehäuse, wenn der Staub nur in einer solchen Menge eintritt, dass die Funktionsweise nicht beeinträchtigt wird. Ein staubdichtes Gehäuse bietet unliebsamen Fremdkörpern keine Chance zum Eindringen.

Das Gehäuse eines Handys hat vermutlich schon manch einer von Ihnen selbst einem Wassertest unterzogen. Vielleicht bei einem starken Regenguss oder einem (unbeabsichtigten) Tauchgang im See. Generell laufen Test für den Schutz der Wasserfestigkeit bei Gehäusen für elektronische Produkte ganz ähnlich ab, wenn auch unter kontrollierten Bedingungen.

Mit kalibrierten Wasserpumpen, die je nach Schutzart die geforderte Literleistung pro Minute erbringen, sowie mit Düsen des erforderlichen Durchmessers und einem Drehtisch auf dem sich die Gehäuse und Schaltschränke montieren lassen, wird ein wahres Wasserkarussel erzeugt. So wird das Gehäuse von allen Seiten auf seine Wasserfestigkeit geprüft.

Falls Sie sich jetzt fragen, was Ihr Smartphonegehäuse aushält: Ein iPhone 11 und aktuelle Samsung Galaxy Smartphones haben die IP Schutzart IP68 (mehr Infos zum IP-Schutz bei Smartphones finden Sie bei heise.de). Hier gilt natürlich: Ausprobieren der Grenzen der IP Schutzart auf eigene Verantwortung… 😉

2. Konstruktionskniffe, um den gewünschten IP Schutzgrad zu erreichen

Denken wir zurück an das Beispiel vom Beginn des Beitrags. Beim Gehäuse läuft die Entscheidung, welche Maßnahmen getroffen werden, um eine bestimmte IP Schutzart zu erfüllen ganz ähnlich zum Hausbau ab. Denn egal ob Sie Fort Knox oder einen einfachen Unterstand benötigen, Sie wählen je nach Schutzanspruch Ihrer Elektronik zwischen pragmatischen und aufwendigeren Lösungen.

Die Anforderungen an Gehäusedichtungen reichen daher vom Gewährleisten der Sauberkeit, Temperaturbeständigkeit bis hin zur elektrischen Leitfähigkeit, um elektromagnetische Aufladung zu vermeiden oder eine Ableitung zu gewährleisten (jetzt hier unseren Artikel zum Thema EMV lesen).

Oft sind es ganz unscheinbare Dinge, die solche wichtigen Funktionen erfüllen. Wir haben uns einmal auf eine Tour durch unsere Fertigung gemacht und die Augen nach den kleinen und großen Kniffen für den nötigen IP-Schutz von Gehäusen und Schaltschränken offen gehalten. Schauen Sie doch mal, was wir so alles gefunden haben…

Schwachstelle Lüfter

In vielen Fällen ist es für den Betrieb eines Produktes notwendig eine ausreichende Luftzirkulation und damit eine gute Wärmeabfuhr zu haben. Gleichzeitig sollen durch Lüfter oder Luftlöcher natürlich keine Fremdkörper in das Gehäuse gelangen. Um hier für eine höhere IP Schutzart im Bereich Fremdkörperschutz (die erste Ziffer des IP-Codes) zu sorgen, gibt es ein paar einfache Maßnahmen.

Schirmblech mit Wabenstruktur vor einem Lüfter

Schirmbleche

Ein EMV-Schirmblech über den Lüftern sorgt nicht nur dafür, dass alle Komponenten eines Gehäuses leitend miteinander verbunden sind und Ihre Elektronik einwandfrei funktioniert, sondern dient zugleich auch als Schutz vor größeren Fremdkörpern und Verletzungen der Finger.

Filterschaum, der in einem Metallrahmen auf einen Lüfter montiert ist

Polyurethan Filterschaum

Mit einem Filterschaum lässt sich Staub schon ziemlich gut abhalten, aber die warme Luft kann weiterhin gut entweichen. Grundsätzlich gilt: je weniger Poren ein Filterschaum hat, desto durchlässiger wird er.

Schwachstelle Blechkante & Blechteile

Besonders an den Verbindungen zwischen Blechteilen und Blechkanten haben Fremdkörper und Flüssigkeiten ohne spezielle Schutzmaßnahmen ein leichtes Spiel, ins Gehäuseinnere zu gelangen.

Aufsteckdichtungen auf der Blechkante eines Gehäuses

Aufsteckdichtung mit vulkanisiertem Eckprofil

Zu den einfachen und pragmatischen Lösungen zählt die Verarbeitung von Zukaufteilen, wie Aufsteckdichtungen, die sich leicht über Blechkanten an Gehäusen und Schaltschränken stülpen lassen. Das Aufsteckprofil lässt sich bereits als kundenspezifischer Rahmen anfertigten und sorgt dann mit seinem integrierten Dichtballon für eine höhere IP Schutzklasse des Gehäuses.

Dichtschnur, die in eine umlaufende, kleine Auskerbung eines Gehäuseteils aus Aluminium eingepresst ist.

Dichtschnur

Eine in die Gehäusenut eingelegte umlaufende Dichtschnur (Rundschnur) ist eine leicht anzubringende, kostengünstige Möglichkeit Gehäuseteile abzudichten. Kleinere Unregelmäßigkeiten lassen sich damit problemlos ausgleichen. Nach dem Verpressen bildet die Dichtschnur einen dünnen Dichtfilm.

Gehäuseteil aus blau-eloxiertem Aluminium mit einem Steg als Labyrinthdichtung

Labyrinthdichtung

Bei Labyrinthdichtungen verhindert das Ineinandergreifen von Gehäuseelementen, dass Schmutz und Flüssigkeiten ins Gehäuseinnere eindringen können. Je nach Schmutzbelastung lässt sich ein Steg oder mehrere Stege einplanen, die die unliebsamen Fremdkörper und Flüssigkeiten vom Eindringen abhalten.

Blaues Gehäuseteil aus Aluminium mit einer umlaufenden flachen Dichtung aus Moosgummi.

Flachdichtung

Flachdichtungen (im Bild schwarz als Moosgummi-Ausführung) können nach kundenspezifischer Vorgabe gestanzt oder vorgeschnitten werden. Durch den Druck der beiden miteinander verschraubten Flächen werden sie angepresst und die Verbindung erhält ihre Dichtigkeit.

Schwarze Schaumdichtung auf der Innenseite einer Schaltschranktür

Schaumdichtung

Damit beispielsweise ein Schaltschrank die Anforderungen von IP65 erfüllt, also staubdicht ist und auch so mancher Wassermenge trotzt, können Schaumdichtungen aus Polyurethan direkt am Gehäusedeckel angegossen werden. Nach dem Auftragen führt eine chemische Reaktion zum schnellen Aushärten der Dichtung. Die Dichtung wird so nicht nur optimal an die Form angepasst, sie ist außerdem hochelastisch und nicht abtrennbar mit der Schaltschranktür oder dem Gehäuse verbunden.

Silikontube vor grauem Hintergrund

Silikon

Dichtmassen wie Silikon sind einfach in der Handhabung, passen sich der Dichtfläche leicht an und halten hohen Temperaturen sowie Reinigungsmitteln gut stand. Das Abdichten mit Silikon kann daher eine kostengünstige Alternative sein.

Spannvorrichtung für das automatisierte Laserschweißen auf der ein Blechteil mit Spannzangen befestigt ist.

Schweißen

Wenn eine absolut sichere Verbindung für einen hohen IP Schutz eines Gehäuses hergestellt werden soll, bietet es sich an, die Blechteile miteinander zu verschweißen. Die Verbindung ist anschließend nur noch bedingt lösbar, birgt einen geringen Wartungsaufwand und hält so ziemlich für die Ewigkeit. Im Vergleichen zu alternativen Dichttechniken ist der Aufwand allerdings deutlich höher.

Mit einer Farbeindringprüfung kann anschließend getestet werden, inwieweit die entstandene neue Oberfläche Risse und damit poröse Stellen aufweist. Vereinfacht dargestellt, wird dazu ein fluoreszierendes Kontrastmittel auf die Oberfläche aufgebracht, das aufgrund der Kapillarwirkung in die Risse eindringt. Anschließend lässt sich das Rissbild mit UV-Licht visualisieren und beurteilen.

Schwachstelle: Kabeldurchführungen und Bauteilbohrungen

Häufig müssen Kabel in das Gehäuseinnere zugeführt werden. Abdichtende Kabeldurchführungen bringen einige Vorteile gegenüber klassischen Kabelverschraubungen mit sich und sorgen für einen ausreichenden IP Schutz.

Kleine, runde Dichtungstülle aus schwarzem Kunststoff mit Aufschrift: "M9IP67"

Dichtungstüllen

Dichtungstüllen für einzelne Kabel können ohne Verschraubung direkt in das Gehäuse gedrückt werden und passen sich verschiedenen Blechstärken an. Im Gegensatz zur klassischen Kabelverschraubung, benötigen die Dichtungstüllen durch ihre geringere Bauhöhe weniger Platz und die Montage erfolgt nur von einer Gehäuseseite.

3 Blindnietmuttern und ein schwarzer Dichtungsring liegen nebeneinander

Blindnietmuttern mit geschlossenen Schaft

Mit Blindnietmuttern lassen sich Gewinde in dünnwandige Materialien einbringen. Der geschlossene Schaft verhindert einen Durchtritt von Flüssigkeiten und Gasen durch die Mutter. Falls nicht bereits eine Kunststoffdichtung angebracht ist (wie am verdrehsicheren Hexagon-Schaft, im Bild links), kann mit einem O-Ring zwischen der Bauteilbohrung und dem Mutter zusätzlich abgedichtet werden.

3. Die passende IP Schutzklasse für Ihr Metall-Gehäuse

Das ist nur eine kleine Auswahl der täglichen Kniffe, um die unterschiedlichen IP Schutzarten bei der Konstruktion und Fertigung von Gehäusen zu realisieren. Wie beim Hausbau, finden sich pragmatische oder aufwendigere Lösungen, um ungebetene Eindringlinge und Flüssigkeiten auf Dauer von den eigenen Heiligtümern fernzuhalten. Gerade zum Schutz Ihrer sensiblen Elektronik, finden wir gemeinsam nach dem „so viel wie nötig, so wenig wie möglich“-Prinzip die beste Lösung.

Schreiben Sie einfach eine Mail an engineering@merath.com oder rufen Sie uns an 07151-95930-0. Wir besprechen die Möglichkeiten gerne mit Ihnen.

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