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Tordierbare LWL für 3-D-Einsätze

Bild 1. Besonders für den Einsatz in dreidimen-sionalen Energieketten, wie der Triflex R wurden die LWL-Leitungen der „CFROBOT“-Familie entwickelt

Bild 2. Der spezielle Aufbau sorgt für die zuverlässige Funktion der tordierbaren LWL-Leitungen. dazu gehören: LWL-Adern mit zugfesten Aramid-Fasern (1), um den GFK-Kern verseilte LWL-Adern mit Dämpfungselementen (2) und ein spezieller Außenmantel aus TPE, der mit Druck extrudiert wurde (3)

In Energieketten oder am Roboter müssen Leitungen viele Zyklen, hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie anspruchsvollere Umgebungsbedingungen ohne Schaden überstehen. Weitere Anforderungen sind EMV-Sicherheit sowie das Erfüllen von verschiedenen Normen und Richtlinien. Deswegen sind spezielles Know-how und langjährige Erfahrung von Nöten, um solche Leitungen zu entwickeln und zu produzieren.

Igus entwickelt seit 1989 unter dem Markennamen Chainflex eigene, speziell für den Einsatz in Energieketten geeignete Leitungen. Seit 25 Jahren wird das Know-how stetig ausgebaut. Das Sortiment reicht inzwischen von energiekettentauglichen Steuer-, Servo-, Motor- sowie Roboter- bis zu Bus-, Daten-, Geber- und Lichtwellenleitungen. Im Bereich LWL-Leitungen bietet Igus inzwischen selbst für 3-D-Energiezuführungen spezielle Lösungen, die auch Torsion problemlos verkraften (Bild 1).

Langlebig auf langen Strecken
Die generellen Pluspunkte der Datenübertragung per Lichtwellenleiter im Vergleich mit kupferbasierten Lösungen sind hinlänglich bekannt: physikalisch bedingt sind Kupferleitungen bei Übertragungslängen und -raten eingeschränkt. Dabei bedeutet eine große Übertragungslänge zwangsläufig eine starke Reduzierung der Datenraten beziehungsweise eine hohe Datenrate eine reduzierte Leitungslänge. Je nach System und Übertragungsfrequenz ist unter optimalen Bedingungen eine maximale Leitungslänge zwischen 3 m und 100 m möglich.
Vor allem bei schnellen Bussystemen sind bei bewegten Leitungen starke Längenlimitierungen in den Normen definiert. So liegt die maximale Länge von USB-Verbindungen bei 3 m bis 5 m und von bewegten Ethernetleitungen bei maximal 10 m. Hinzu kommt, dass kupferbasierte Systeme in dauerbewegten Anwendungen besonderen Alterungsprozessen unterliegen, die nach einer gewissen Zeit zu einer Dämpfungserhöhung und somit zur Limitierung der Übertragungsrate beziehungsweise -länge führen. Diese Tatsache ist bereits bei der Anlagenplanung zu bedachten. Darüber hinaus gehören unerwartete Störungen oder Ausfälle von Bussystemen zu den Nachteilen der Kupferleitung. Wenn die aufwendigen Abschirmungen „durchbrochen“ werden, beeinflussen elektromagnetische Störungen die Übertragungsqualität zusätzlich negativ.

Viele dieser Probleme lassen sich durch Datenübertragungssysteme, die auf Glaslichtwellenleitern basieren von Anfang an ausschließen. Sie ermöglichen Übertragungsstrecken von mehreren 100 m und das bei wesentlich höheren Übertragungsraten und -qualitäten. Für Industrieanlagen typische elektromagnetische Störquellen können LWL-Leitungen nichts anhaben. Darüber hinaus sind sie für jedes Übertragungs- bzw. Bussystem geeignet, sofern die richtigen Umsetzer genutzt werden.
Gerade im Hinblick auf den Einsatz in Energieketten ergaben kontinuierliche Versuche im Igus-eigenen Technikum beim Vergleich mit Kupferleitungen weitere klare Vorteile für LWL-Leitungen. So sind verschleißbedingte Ausfälle aufgrund kaum messbarer Alterungsprozesse so gut wie ausgeschlossen und das bei wesentlich kleineren Biegeradien ab 4 x d und Zykluszahlen jenseits von 30 Mio. Doppelhüben. Der erst danach auftretende leichte Dämpfungsanstieg von ca. 0,1 dB bis 0,15 dB ist zu vernachlässigen, da ST-Stecker bereits eine mittlere Einfügedämpfung von 0,3 dB (maximal 0,5 dB) haben.

LWL für Torsions-Anwendungen
Neben den für Einsätze in linearen Energieketten geeigneten LWL-Leitungen gab es von Anwenderseite immer häufiger Forderungen nach dauerbewegungsgeeigneten Leitungen für den 3-D- bzw. Torsionsbereich. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Roboteranwendungen, bei denen konstant hohe Datenraten, Datensicherheit und große Leitungslängen bei hoher mechanischer Standzeit im Mittelpunkt stehen. Für genau dieses Anforderungsprofil hat Igus sein Chainflex-Programm um die CFROBOT-LWL-Familie erweitert.
Die robusten Glaslichtwellenleiterleitungen sind wahlweise mit Gradienten von 62,5 µm/125 µm oder 50 mm/125 mm erhältlich. Ihre beiden mit Aramid geschützten Festadern werden in abgestimmter Verseilschlaglänge um einen GFK-Zentralelement mit weiteren aramidgefüllten Dämpfungsadern verseilt. Der über spezielle Gleitfolien extrudierte, bei Chainflex-Leitungen bewährte TPE-Außenmantel, bietet dabei den notwendigen mechanischen Schutz gegen Abrieb sowie gegen das ungewollte Abknicken der Leitung. Denn trotz der nötigen Flexibilität zur Ausführung der 3-D-Bewegung müssen eine gewisse Steifigkeit und der notwendige mechanische Schutz gewährleistet sein.

Geprüfte Widerstandsfähigkeit
Die LWL CFROBOT laufen erfolgreich im Dauertest und haben zum Beispiel bei einer Torsionsleitungslänge von 1 m und einem Torsionswinkel von ±180° schon über 31 Mio. Doppelhübe absolviert. Während bei Kupferleitungen jedes Bussystem seine eigene, nicht mit anderen Systemen kompatible Leitung erfordert, eignen sie sich für alle Systeme. Außerdem gehören Unempfindlichkeit gegen EMV-Störungen, hohe Datensicherheit und kleine Biegeradien sowie Übertragungslängen von mehreren hundert Metern zu ihren Produktmerkmalen.
Die tordierbare LWL-Leitung ist prädestiniert für Dauerbewegung in dreidimensionalen „e-ketten“, wie der Serie Triflex R von Igus. Ihr TPE-Außenmantel macht die Roboterleitung nahezu universell einsetzbar, unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Sie hält Öl, Bioöl, und UV-Strahlung problemlos aus, ist kälteflexibel sowie hydrolyse- und mikrobenbeständig. Außerdem gehören kleine Radien ab 4 x d, Geschwindigkeiten bis 10 m/s und lange, auch freitragende Verfahrwege, zum Spezialgebiet der robusten LWL-Leitung.

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Autor: Dipl. Ing (FH) Rainer Rössel ist Head of Business Unit Chainflex Cables bei der Igus GmbH in Köln.