Konnektivitätslösungen Herausforderung Kabelkonfektionierung

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FAULHABER Antriebssysteme

Konnektivitätslösungen müssen robust und leicht zu reinigen sein sowie industriellen Schutzklassen entsprechen. Doch auch die Kabelkonfektionierung spielt eine wichtige Rolle. Nur wenn alle Komponenten optimal auf die Anwendung abgestimmt sind, ist eine zuverlässige Datenübertragung garantiert. Hierfür muss der Ingenieur die richtigen Entscheidungen treffen.

Kabelkonfektionslösungen sind das Bindeglied zwischen Steckverbinder und Kabel, die zuverlässige Signal- und Stromverbindungen zwischen Geräten sicherstellen. Dabei muss eine Reihe von Anforderungen erfüllt werden. Der Leiter muss die benötigte Strombelastbarkeit aufweisen und der Umgebungstemperatur standhalten. Wichtig sind außerdem das passende Isolationsmaterial sowie die ideale Litzenanzahl. Nur wenn alle Komponenten den Anforderungen entsprechen und auf die Anwendung abgestimmt sind, kann eine zuverlässige Datenübertragung stattfinden.

Hierbei ist große Sorgfalt gefragt. Neben mangelhafter Funktionalität besteht ansonsten die Gefahr, dass die Lösung „überdesigned“ und damit unnötig teuer und technisch überdimensioniert wird. Ein besonderes Augenmerk bedarf der Schutzart. Denn nicht nur der Steckverbinder muss gegenüber äußeren Einflüssen wie Flüssigkeiten oder Staub resistent sein. Die gleiche Schutzart muss auch für den Kabelanschluss gelten. Besonders in der Pharma-Produktion und der Medizintechnik müssen die Materialien darüber hinaus aggressiven Reinigungsmitteln standhalten.

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Elektrische Anforderungen

Der erste Schritt ist die Definition der optimalen Größe des Leiters. Die entscheidenden Faktoren sind dabei die elektrischen Anforderungen. Zum einen hängt die Wahl des Leiterquerschnitts von der erforderlichen Stromlast für die jeweilige Anforderung ab. Andererseits muss auch die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Ein zu dünner Leiter hält den Temperaturen nicht stand, die beim Leiten von Strom entstehen oder von außen auf die Kabel wirken, bspw. durch die Abwärme von Maschinen. Ein zu dicker Leiter verursacht hingegen unnötige Kosten.

Außerdem muss berücksichtigt werden, wie viele Leiter im Kabel benötigt werden. Klassische Ethernet-Verbindungen benötigen bis zu acht Leiter, um eine High-Speed-Datenübertragung zu gewährleisten. Single-Pair-Ethernet-Systeme benötigen hingegen lediglich zwei Litzen. Mittels mathematischer Berechnung lässt sich der ideale Leiterquerschnitt bestimmen. Die Formel berücksichtigt die Anzahl der Drähte anhand eines festen Faktors, die Außentemperatur sowie die zu erwartende Maximaltemperatur beim Leiten. Ein zu geringer Querschnitt kann zu Komplikationen im Betrieb führen, ein zu großer verursacht unnötige Kosten durch „Überdesign“.

Das Leitermaterial und seine Beschichtung

Auch das Leitermaterial muss sorgsam gewählt werden. Normalerweise besteht dieses aus Kupfer. Es gibt allerdings eine Vielzahl an Kupferlegierungen, die eine höhere Härte, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen aufweisen. Diese Legierungen haben jedoch den Nachteil, dass ein geringer Verlust an elektrischer Leitfähigkeit entsteht. Sie eignen sich für Anwendungen mit kleinen Querschnitten, da sie mehr Stabilität bieten als herkömmliches Kupfer.

Wird die Baugruppe in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt, kann eine Beschichtung infrage kommen. Denn Kupfer oxidiert schnell. Die Kupfer-Oxidation kann durch Zinn-, Silber- und Nickelbeschichtungen verhindert werden. Diese verbessern außerdem die Lötbarkeit und stabilisieren den Anschluss der Leiter. Bei Anwendungen in Hochtemperaturumgebungen ist eine Versilberung oder Vernickelung die beste Wahl. Dadurch lassen sich die Lebensdauer verlängern und Ausfälle vermeiden.

Nicht jede Isolation eignet sich für den Medizintechnikbereich

Auch die Isolation spielt eine wichtige Rolle bei der Kabelkonfektionierung. Im medizinischen Umfeld müssen Steckverbinder z. B. medizinischen Reinigungsmitteln widerstehen, die Beschichtungen angreifen können. Dadurch können die Steckbarkeit, die Signalqualität und damit auch die Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigt werden. Spezielle Beschichtungen können dies verhindern. Besonders gut geeignet sind Steckverbinder aus Messing mit einer chromierten Oberfläche. Tests zeigten, dass diese Beschichtungen bis zu 1.000 Reinigungszyklen standhalten, ohne dass die Oberfläche verändert oder beschädigt wird.

Neben dem Steckverbinder muss auch das Kabel den Einflüssen standhalten. Unter der Vielzahl an Isolationsmaterialien, sind jedoch nicht alle für den Einsatz im Pharma- und Medizintechnikbereich geeignet. Die gängigsten Materialien lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Kunststoffe und Thermoplaste. PVC ist aus der Gruppe der Thermoplaste am gängigsten für die Kabelisolierung, da es in vielen verschiedenen Varianten verfügbar und relativ preisgünstig ist. Allerdings für Szenarien mit hohen Temperaturen nicht geeignet.

Deutlich besser für den medizinischen Bereich eignen sich Isolationen aus Ethylen-Propylen, kurz EPR. Dieses Material aus der Gruppe der Kunststoffe verfügt nicht nur über eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Substanzen wie medizinischen Reinigungsmitteln, sondern hält auch problemlos Temperaturen bis 90 °C stand. Diese Kombination eignet sich so für den Einsatz in der Produktion von medizinischen Komponenten oder pharmazeutischen Mitteln.

Personalstunden und Geld sparen

Je nach Anwendungsgebiet müssen Ingenieure viele Entscheidungen treffen, um die optimale Lösung für das Kabel zu finden: Welches Material kommt für die Leitung infrage? Wird eine Beschichtung benötigt? Welchen Durchmesser müssen die Drähte aufweisen? Welches Isolationsmaterial eignet sich am besten? All diese Entscheidungen müssen für einen reibungslosen Betrieb getroffen werden. Einige Steckverbinderhersteller wie Fischer Connectors bieten deshalb Steckverbinder und Kabelkonfektionierung aus einer Hand an. Dadurch können sich Anwender auf das Wesentliche konzentrieren und müssen sich keine Gedanken über die Funktionalität machen. Dies spart Personalstunden und Geld, da die Gefahr des „Überdesigns“ gebannt wird.

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* Martin Wimmers ist Geschäftsführer bei der Fischer Connectors GmbH.

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