Heutige Maschinen werden großenteils über Energieketten mit Energie und Daten versorgt. Allerdings ist hier gerade bei der auf Ethernet basierenden Kommunikationstechnik Vorsicht geboten. Konnten Netzwerk-Techniker bislang auf mechanisch relativ einfach aufgebaute Leitungen zurückgreifen (die im Büro auch sicher funktionieren), bieten diese in bewegten Anwendungen der Industrie nicht die nötige Sicherheit. Denn die für die feste Installation vorgesehenen, recht preiswerten Ethernet- oder auch Lichtwellenleiter-Leitungen sind nicht für bewegte Einsätze konstruiert und haben daher unter diesen Bedingungen nur eine sehr begrenzte Lebensdauer. Daher sind spezielle Lösungen im Bereich der Energiezuführung und besondere Konstruktionsprinzipien für die Bewegung in der Energiekette gefordert. 

Ein genauer Blick lohnt

Damit die Kommunikation der Roboter zwischen den Achsen, der Steuerung und übergeordneten Systemen einwandfrei funktioniert, sind speziell konstruierte Ethernet-Leitungen notwendig.

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Werden Ethernet-Leitungen in den Maschinen und Anlagen fest verlegt, können günstige Leitungen mit einem massiven Leiter oder einem flexiblen Leiter, bestehend aus siebendrähtigen Litzen, gewählt werden. Für Anwendungen in der Energiekette ist es notwendig, Ethernet-Leitungen mit feindrähtigen Litzenleitern zu verwenden. Zudem ist ein auf die Bewegung in der Energiekette abgestimmter Leitungsaufbau wichtig, um über Jahre hinweg eine sichere Datenübertragung gewährleisten zu können. Dass es deutliche Unterschiede zwischen bewegten und festverlegten Leitungen gibt, zeigt sich vor allem in Anwendungen mit langen Verfahrwegen, vielen Doppelhüben oder einer hohen Dynamik: Die mechanische Wirkung der Bewegung verändert die Leitung im Aufbau leicht, die Datenübertragung leidet. Mit zunehmender Länge des Kabels sinkt die Datenübertragungsrate des Bussystems. 

Bei hochflexiblen Ethernet-Leitungen für bewegte Energieketten ist eine Datenübertragungslänge von bis zu 70 m zwischen zwei Ethernet-Teilnehmern möglich. Diese Länge ist zusätzlich abhängig von der Leitungskategorie (CAT5, CAT5e, CAT6, CAT6A, CAT7) und den elektrischen Umgebungsbedingungen. Eine Alternative auf langen Wegen sind Lichtwellenleiter, die eine Leitungslänge von mehreren 100 m bis zu 2 km ermöglichen. 

Die Werkstoffe sind entscheidend

Ein entscheidender Faktor für die Bewegung in der Energiekette sind die Isolations- und Mantelwerkstoffe. Igus hat bei vielen Versuchsreihen zur Ethernet-Leitung wichtige Erkenntnisse zu den Werkstoffen und deren Abhängigkeiten untereinander gewonnen. So treten die Kunststoffe der Leitungen und der Energieketten, kombiniert mit von außen einwirkenden Faktoren wie Temperatur, Medien und eventuell auftretenden Strahlungen, ständig in Kontakt miteinander und beeinflussen die Haltbarkeit der Leitung in der Kette.

Keine nationale oder gar internationale Norm und kein damit verbundener Test eignet sich tatsächlich für die Prüfung von Leitungen im Energieketten-Einsatz, obwohl es durchaus Vorschriften beziehungsweise Normen gibt, die sich auf das Thema bewegte Leitungen beziehen. So hat Igus eigene Normen ­entwickelt, die sich mit Test und Bewertung von Aufbauten und Werkstoffen beschäftigen. 

Konkret gibt es in der Kabelindustrie von verschiedenen normgebenden Instituten bekannte und sehr gute Prüfverfahren. Aber: Diese sind zu allgemeingültig und beziehen nicht die besonderen Anforderungen der Dauerbewegung in der Energiekette mit ein. Weder die Biegewechselprüfungen nach VDE noch die Abriebprüfung erfüllen die Erfordernisse einer Ketten-Leitungskombination. Bei der Biegewechselprüfung etwa hat die Leitung einen komplett anderen Bewegungsablauf verglichen mit dem bei der Bewegung in der Energiekette. Viele Leitungskonstruktionen, die diese Anforderungen sicher erfüllt haben, sind in Energieketten-Bewegungstests innerhalb kürzester Zeit ausgefallen.

Sandpaper- und Rasierklingentests

Auch Normabriebprüfungen, die den Abrieb eines Werkstoffes anhand von Sandpapier, Nadel oder Rasierklingentest ermitteln, sind im allgemeinen Vergleich sicherlich sehr gut. Bei diesen Tests wird mit einem abgestimmten Druck über den Mantelwerkstoff der Leitung gerieben, entweder mit Sandpapier, einer Rasierklinge oder einer Nadel. So wird mit einer definierten Menge an Bewegungen Abrieb erzeugt. Für die Aussage zur Haltbarkeit des Mantelwerkstoffes in der Energiekette ist dieser Test jedoch nicht aussagekräftig, da sich normalerweise weder Sandpapier noch Rasierklingen im Innern einer Kette befinden. Vielmehr geht es darum, die beiden Gleitpartner – also Ketten- und Leitungswerkstoff – aufeinander zu testen und abzustimmen.

Auch Medien und unterschiedliche Temperatureinflüsse spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Prüfung von Mantelwerkstoffen für dauerbewegte Leitungen. Zur Ermittlung der Kälteflexibilität für bewegte Leitungen etwa wird üblicherweise die ‚Kältewickelprüfung‘ nach EN 60811-504 herangezogen. Bei dieser Methode werden Testleitungen auf einen Dorn gewickelt und entsprechend der Prüftemperatur heruntergekühlt. Der Durchmesser des Dorns wird dabei an den zu prüfenden Leitungsdurchmesser angepasst. Hat die zu prüfende Leitung die entsprechende Prüftemperatur erreicht, wird die Leitung wieder abgewickelt. Sind optisch keine Mantelbrüche sichtbar, ist die Prüfung bestanden und der Mantelwerkstoff gilt als flexibel einsetzbar bei der geprüften Temperatur.

Realitätsnahe Testverfahren

Diese Tests simulieren nicht die realistischen Bedingungen in einer Energiekette. Daher betreibt Igus auf 3800 m2 ein eigenes Testlabor, in dem praxisgerechte Versuche entwickelt und durchgeführt werden, die die Realität in den Anwendungen sicher simulieren können. Auf über 60 verschiedenen Testständen werden die Produkte im Dauerbetrieb auf ihre Belastbarkeit geprüft und über zwei Milliarden Zyklen im Jahr gefahren. Da es auf die genaue Abbildung der realen Arbeitsbedingungen ankommt, sind Testachsen mit unterschiedlichsten Verfahrwegen und Beschleunigungen oder Witterungsbedingungen vorhanden. Für die Erprobung großer Energiekettensysteme, wie sie beispielsweise bei Krananlagen vorkommen, gibt es eine Außentestanlage mit einem Verfahrweg von 400 m. 

In den 40-Fuß-Klimacontainern bei Igus werden Testleitungen bei Temperaturen von –40 bis +60 °C in Energieketten einem Realversuch unterzogen.

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Auch die Kälteversuche für Energieketten-Leitungen werden realitätsnäher durchgeführt als in den VDE-Anforderungen beschrieben. Im Gegensatz zur Kältewickelprüfung wird bei der Prüfung von Igus nicht die Leitung einmalig um einen Dorn gewickelt, auf die zu prüfende ­Temperatur heruntergekühlt und einmal bewegt. Vielmehr werden die Leitungen mehrere Millionen Mal bei den zu er­reichenden Testtemperaturen unter realistischen Bedingungen in der Kette ständig verfahren. Die Testleitungen befinden sich in einem 40 Fuß Seecontainer in Energieketten. Je nach Versuchsziel sind Temperaturen von –40 bis +60 °C realisierbar. Neben der Temperaturbelastung werden die Leitungen zusätzlich ständiger Biegebeanspruchung ausgesetzt. Die Prüfung gilt für eine Leitung dann als bestanden, wenn sie keine Mantelbrüche aufweist.

Bei groß angelegten Versuchsreihen mit vielen Materialien und am Markt erhältlichen kettentauglichen Leitungen in der Kältekammer hat sich herausgestellt, dass im Prinzip keine am Markt erhältliche Mischung – auch nicht PUR – den in den Katalogen oder Datenblättern angegebenen Temperaturen in der Dauerbewegung in der Energiekette standhält. Nur echte Dauertests unter realistischen Bedingungen geben eine sichere Auskunft über die Lebensdauer von Leitungen in Energieketten.

Beweglich in der dritten Dimension

Tordierbare Leitungen und 3D-Energieketten werden im 3800 Quadratmeter großen Testlabor direkt am Roboter getestet.

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Ein besonderer Blick lohnt auf die zunehmende Zahl an Robotern in der Fabrik. Um die Versorgung der Roboter mit Daten und Energie störungsfrei gewährleisten zu können, sind Leitungen gefordert, die die 3D-Bewegung des Roboters in der Dauerbewegung ‚mitmachen‘.

Roboterleitungen für Torsionsanwendungen sind grundlegend anders zu konstruieren und zu fertigen als Leitungen für lineare Bewegung. Letztere sind möglichst kompakt, eng verseilt und haben mit hohem Druck extrudierte Außenmäntel. Durch diese besonders ‚harte‘ Konstruktion kann die Leitung die Bewegungsform der Energiekette nachvollziehen. Roboterleitungen hingegen benötigen Kraftausgleichs- sowie lockere Verseil-Elemente, verschiedene Gleitebenen und völlig andere Schirmkonzepte, um die Lebensdauer auch nach mehreren Millionen Torsionsbewegungen sicherzustellen. Denn in der Robotertechnik sind die Leitungen unterschiedlichsten Bewegungsrichtungen ausgesetzt. So kann sich zum Beispiel in Abhängigkeit des Torsionswinkels der Durchmesser des Verseil-Aufbaus verändern. Um die auf die Adern wirkenden Kräfte auszugleichen, werden die speziell für den Einsatz in dynamischen Torsionsanwendungen konstruierten Aderverbände bei Igus mit Dämpfungselementen und Torsionskräfte absorbierendem Flies auf­gebaut.

Besonders hoch sind die Anforderungen bei den geschirmten Varianten: Damit die auf die Schirmdrähte einwirkenden Kräfte nicht zu groß werden, werden unter und über die Schirme Gleitelemente eingelegt. Sie stellen sowohl eine Bewegungsfreiheit des Schirms zur Gesamtverseilung als auch zum Außenmantel sicher. Der Schirmaufbau wird dabei in Umlegung ausgeführt und in Richtung der Umlegung besonders mit Dämpfungselementen realisiert. Diese ‚weiche‘ Konstruktionsweise gibt der gesamten Leitungskonstruktion die notwendige Bewegungsfreiheit, reduziert Zug- und Stauchkräfte und verhindert einen durch vorzeitigen Aderbruch entstandenen Maschinenstillstand. 

In vielen Applikationen führen die Roboterachsen Drehbewegungen von bis zu ±360° pro Meter aus. Sind die Taktzeiten kurz, wird dabei schnell eine sechsstellige Anzahl an Zyklen erreicht. Da zudem der Bauraum in hochautomatisierten Anlagen und Arbeitsstationen meist knapp ist, benötigen die Leitungen einen möglichst geringen Außendurchmesser und einen kleinen Biegeradius. Unter diesen Voraussetzungen hat Igus eine neue tordierbare Busleitung für Ethernet, Profinet und Profibus entwickelt. Basis der Entwicklungsarbeiten war die Serie ‚CFRobot8‘, für die der Hersteller fünf Millionen Arbeitszyklen und eine maximale Tordierbarkeit von ±180° pro Meter garantiert.

Wer tordierbare Busleitungen entwickelt, muss stets einen Zielkonflikt lösen: Zum einen sollen die Leitungen hohe Datenraten mit großer Zuverlässigkeit übertragen. Somit muss die Schirmung wirkungsvoll und möglichst dicht sein; zusätzliche Elemente im Leitungsaufbau sind nötig, um das Ausführen von Ausgleichsbewegungen zu ermöglichen. Zum anderen ist es wichtig, die Leitungen extrem beweglich und äußerst kompakt zu halten – eine dicht geflochtene Schirmung ist also eher ungünstig.

Für diese Anforderungen konstruierte und testete Igus über fünf Jahre eine Leitung mit besonderen Kennwerten: Demnach erreicht die Busleitungsfamilie für Ethernet, Profinet und Profibus – CFRobot8.Plus – garantierte zehn Millionen Zyklen und kommt auf eine Tordierbarkeit von jeweils 360° in beide Richtungen bei 1 m Leitungslänge. Diese Leistungssteigerung wurde durch ein Spezialgeflecht des Schirmungsaufbaus erreicht: Das Muster der Flechtung ähnelt einem Strickmuster, das ‚wohldosiert‘ einige Maschen auslässt, und erreicht dennoch einen identischen Schirmungseffekt bei deutlich größerer Beweglichkeit der Leitung. Durch dieses Design ließ sich auch der Außendurchmesser bei Ethernet und Profinet reduzieren: auf 7,5 mm bei Ethernet und auf 7 mm bei Profinet. Die Leitungen eignen sich somit nicht nur für besonders bewegte Anwendungen, sondern auch für kleine Bauräume.

Autor:
Rainer Rössel leitet den Geschäftsbereich Chainflex Leitungen bei Igus in Köln.