Beschleunigen und Abbremsen mit mehrfacher Erdbeschleunigung und das millionenfach – kaum vorstellbar, was Leitungen aushalten müssen, die den Bewegungen eines Roboterarms folgen oder sich ‚eingepfercht‘ in Energieführungsketten im Arbeitstakt einer Maschine hin und her bewegen. Und mit den immer höheren Taktraten und Geschwindigkeiten sowie den immer engeren Biegeradien als Folge der Miniaturisierung von Maschinen sind auch die Ansprüche an die Beweglichkeit von Kabeln in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Dementsprechend kommen als Mantelmaterialien für hochdynamische Leitungen inzwischen hauptsächlich Polyurethan (PUR) oder spezielle thermoplastische Elastomere (TPE) anstatt PVC zum Einsatz. Des Weiteren wurden entsprechend die Innenaufbauten der Kabel angepasst, zum Beispiel durch die Verseilung der einzelnen Adern im Kabel, den Aufbau von Abschirmgeflechten sowie durch eine Optimierung der Ader­isolationsmaterialien. Und nicht zuletzt sind die Ansprüche an die Konfektionierung gestiegen – sprich an komplette Systeme, in denen alle Komponenten opti­mal aufeinander abgestimmt sind.

Unter dem Namen ‚Ölflex Connect’ bündelt Lapp neuerdings seine Systemlösungen. Alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt, was ein Plus an Sicherheit und Funktion auch bei bewegten Anwendungen darstellt – wie hier beim Maschinenbauer Toshulin.

© U.I. Lapp

Wichtig ist bei der Entwicklung fertig bestückter Energieketten grundsätzlich, die Prioritäten richtig zu setzen: Oft wird zuerst das mechanische Design der Energiekette entworfen und dann die Kabel angepasst – was in der Folge dazu führen kann, dass zwar die Kette sehr gut funktioniert, die Kabel aber vorzeitig ausfallen. Für den Anwender sind aber nicht die Ketten an sich wichtig, sondern die Kabel oder Schläuche, mit denen sie bestückt sind. Lapp geht deswegen bei seiner Konfektions-Initiative ‚Ölflex Connect‘ den anderen Weg und richtet alles auf die optimale und langfristige Leistung der Kabel aus. Und falls zum Beispiel mit einer Standardleitung keine optimale Leistung zu erzielen ist, kann gemäß den Anforderungen eine Sonderleitung entwickelt werden – nicht selten entstehen dann aus solchen Sonderanfertigungen neue Standardprodukte.

Generell wird in den Fabriken die elektromagnetische Verträglichkeit wichtiger, und das gilt auch für bewegte Kabel. In der Regel werden diese mit einem Abschirmgeflecht aus Kupfer gegen elektromagnetische Einflüsse abgeschirmt. Der Bedeckungsgrad des Geflechts muss üblicherweise über 80 % sein, damit keine elektromagnetischen Störungen durchkommen. Auch bei der Biegung darf das Geflecht keine Lücken aufweisen. Hier ist der Flechtwinkel entscheidend: Für hochdynamische Anwendungen wird der Kupferdraht in einem besonders steilen Winkel – gemessen zur Kabelachse – um die Adern gelegt, so dass er auf einer kürzeren Strecke eine volle 360°-Windung um die Adern macht.

Ein Beispiel für ein Ethernet-Kabel, das sich ideal für den Einsatz in Energieführungsketten eignet, ist die so genannte ‚Etherline FD Cat. 6A‘ von Lapp. Sie eignet sich unter anderem zur Roboterüberwachung oder zur Kontrolle von Fertigungserzeugnissen durch Kamerasysteme. In der ‚Torsion‘-Version ist das Kabel für Anwendungen einsetzbar, bei denen mit einer Verdrillung der Leitung zu rechnen ist. Eine hohe Beweglichkeit ist gerade bei Datenleitungen mit besonders hohen Bandbreiten eine Herausforderung, denn für diese Bandbreiten ist eine extrem effektive Abschirmung notwendig – die auch nach Millionen Bewegungszyklen intakt bleiben muss. Ethernet-Leitungen nach der Kategorie Cat. 6A mit einer Datenübertragung bis zu 10 Gbit/s gab es daher zuvor nur für feste oder leicht bewegte Installationen.

Auch Glas ist biegsam

Sind noch höhere Datenraten gefordert, schlägt die Stunde der Lichtwellenleiter. Anwender haben hier heute die Wahl zwischen drei Fasertypen: Kunststofffasern (POF) für kürzere Distanzen bis 70 Meter, PCF-Fasern (kunststoffumhüllte Glasfasern) für Distanzen bis 100 Meter sowie Glasfasern für noch größere Entfernungen und für Anwendungen, die höchste Datenraten erfordern. Grundsätzlich eignen sich alle Faserarten für bewegte Einsätze, sofern die empfohlenen Biegeradien eingehalten werden. Für höchste Übertragungsleistungen sollte man bei Lichtwellenleitern allerdings einen Biegeradius des 15-fachen Durchmessers nicht unterschreiten. Da­runter bricht es zwar nicht, die Dämpfung nimmt aber zu. Mit anderen Worten: In der engen Kurve geht Licht verloren und die Signalqualität lässt nach.

Wie gut eine Lichtwellenleitung Bewegungen aushält, hängt wesentlich von den Materialien ab, die die Faser umhüllen. Häufig sind das Aramide, also Textilfasern, die schusssicheren Westen oder faserverstärkten Kunststoffen ihre besonderen Eigenschaften verleihen. Die Textilhülle nimmt eventuell auftretende Zugkräfte auf und verhindert, dass der Lichtwellenleiter gedehnt wird.

Bevor er für eine Anwendung empfohlen wird, absolviert jeder Kabeltyp bei Lapp ein hartes Testprogramm. Die Ingenieure prüfen dabei die Torsion von Lichtwellenkabeln für Windenergieanlagen in einem alten Aufzugsschacht, in dem sie Kabel auf einer Länge von zwölf Metern verdrillen. Das ist in der Branche einzigartig. Üblich ist es, kürzere Kabelstücke zu testen, die mit geringeren Winkeln verdrillt werden, um das Ergebnis dann auf größere Leitungslängen hochzurechnen.

Was die weiteren Entwicklungstrends bei bewegten Kabeln betrifft, so geht es hier nicht unbedingt um noch stärkere Beschleunigungen und höhere Verfahrgeschwindigkeiten – die aktuell üblichen Beschleunigungen von 5 bis 8 g werden zunächst ausreichen. Mit anderen Worten: Die Kabel sind im Moment nicht das schwächste Glied in der Kette. Vielmehr werden vermehrt andere Eigenschaften gefordert, die mit der Beweglichkeit nicht direkt zu tun haben – etwa die Verträglichkeit gegenüber rauen Umgebungsbedingungen, chemischen Medien oder tiefen Temperaturen, welche allesamt die Kunststoffe spröde werden lassen.

Autor:
Bernd Müller ist freier Autor aus Bonn.