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Schneidklemmtechnik in beweglichen Leitungssystemen

Bild 1. Das Chainflex-Programm bietet für jede Anforderung die richtige Datenbusleitung

Bild 2. Die Schneidklemmtechnik setzt sich aufgrund der kurzen Montagezeit auch in der Industrie durch

Bild 3. Die Schliffbilder des in Kunstharz eingegossenen Testaufbaus zeigten auch nach intensivem dynamischem Einsatz eine einwandfreie kalt geschweißte Verbindung, die eine lange Lebensdauer erwarten lassen

Bild 4. Die Chainflex-Power-over-Ethernet-Leitung ist jetzt mit 300-V-UL-Zulassung verfügbar

In der industriellen Automation kommen immer häufiger Ethernet- und Profinet-Leitungen mit Schneidklemm­verbindungen zum Einsatz. Diese Leitungen, die bei dynamischen Systemen mit 19 Drähten ausgeführt werden, sind in der Norm DIN EN 60352-3 nicht erwähnt. Die Unter­nehmen Harting und Igus haben diese weitverbreiteten Verbindungen auf eigene Initiative unter den Bedingungen der Norm getestet. Die Ergebnisse liegen jetzt vor.

In der gesamten Industrie setzen sich Kommunikationsstandards wie Ethernet und Profinet zunehmend durch. Sie erlauben einen hohen Daten­durchsatz und eine klare Zuordnung von Sendern und Empfängern. Mit diesen Eigenschaften sind diese Datenstandards eine zentrale Voraussetzung für den hohen Automationsgrad zum Beispiel von komplexen verketteten Anlagen. Und man benötigt nicht viel Fantasie, um vorherzusagen, dass diese Entwicklung noch nicht an ihrem Endpunkt angekommen ist.

Ethernet & Co: Höchste Anforderungen an Leitungen
Dass den Leitungen, die für die Datenübertragung genutzt werden, ­große Bedeutung zukommt, versteht sich von selbst. Ein Leitungsbruch bzw. eine defekte Verbindungsstelle könnte (im günstigeren Fall) den Stillstand der gesamten Anlage, im schlimmeren Fall eine gravierende Fehlfunktion nach sich ziehen. In Anbetracht der Tatsache, dass in größeren Anlagen hunderte oder tausende dieser Leitungen und Verbindungen zum Einsatz kommen, müssen an jede einzelne Ader und jeden einzelnen Stecker extrem hohe Anforderungen an Lebensdauer und Ausfallsicherheit gestellt werden.
Diese Forderung ist schon deshalb nicht ganz einfach einzulösen, weil die Leitungen je nach Einsatzfall hohen mechanischen, klimatischen und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Das gilt vor allem für jene Anwendungen, bei denen die Leitungen an beweglichen Anlagenkomponenten, wie Linear- und Handlingachsen oder Roboterarmen, mitfahren. Igus bietet hier eine große Auswahl an CF-Bus-Leitungen aus dem Chainflex-Sortiment für Ethernet und Profinet, die auch höchsten Ansprüchen an die Lebensdauer unter ungünstigen Umgebungsbedingungen entsprechen (Bild 1). Das Programm ist entsprechend aufgefächert, um auch für besondere Bedingungen wie Roboter-Applikationen die optimale Lösung bieten zu können.
Bei den CF-Bus-Familien für Ethernet und Profinet sind die Buselemente mit einer besonders kurzen Schlaglänge verseilt. Zudem sind sie durch einen zwickelfüllend extrudierten TPE-Innenmantel geschützt, und erfüllen durch die Auswahl abgestimmter Isolierwerkstoffe und Fertigungsverfahren die geforderten Busparameter. Der Innenmantel entlastet das Buspaar mechanisch und fixiert die Adern in einer definierten Position. Diese konstruktiven Details schaffen wichtige Vorrausetzungen für Busleitungen auch bei dynamischer Belastung.

Auch Steckverbindungen müssen hoch belastbar sein
Was für die Leitungen gilt, trifft ebenso auf die Steckverbindungen zu. Auch stetige Vibrationen oder mehrere tausend Arbeitsspiele pro Schicht mit entsprechend vielen Biege- und Bewegungsvorgängen der Leitungen dürfen nicht dazu führen, dass sich die einzelnen Adern aus der Klemme lösen. Diese Anforderung lässt sich leicht formulieren und niederschreiben. Ihre Einhaltung in der Praxis erfordert aber größte Umsicht bei der Auswahl der Verbindungstechnik und große Sorgfalt bei der Verbindung von Leitung und Stecker.

Schneidklemmtechnik setzt sich durch
Es mag zunächst überraschen, dass sich angesichts dieser sehr hohen Anforderungen die Schneidklemmtechnik (IDC; Insulation Displacement Contact) auch in der Industrie durchsetzt (Bild 2). Bei ihr wird der isolierte Leiter in einen Spalt eingepresst, der sich verjüngt und dessen Flanken als Schneide ausgeführt sind. Die Schneiden durchtrennen die Isolierung und treffen dann auf den eigentlichen Leiter, der bei diesem Prozess verformt wird. So entsteht – wenn der Vorgang korrekt durchgeführt wurde – eine langzeitstabile Kaltverschweißung und eine gasdichte, also nicht alternde Verbindung.

Intensive Detailoptimierung
Ursprünglich für die Bürokommunikation und die IT-Netzwerktechnik entwickelt, ermöglicht diese Technologie eine einfache, zeitsparende und lötfreie Verbindung ohne Spezialwerkzeug. Und genau diese Vorteile möchte man auch in der Industrie nutzen. Da hier die Anforderungen, wie beschrieben, hoch sind, hat man sehr viel Detailentwicklung betrieben und zum Beispiel die Werkstoffe genau untersucht, die Geometrie und die Klemmwirkung verbessert und den Prozess am Computer intensiv simuliert. Ziel dabei ist es, immer eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen und einen gleichbleibenden Kontaktdruck zu gewährleisten. Denn aus der Kontaktkraft resultiert die Leitfähigkeit und die Sicherheit gegenüber unbeabsichtigem Lösen der Verbindung.

Keine normenkonforme Verbindung?
Für derartige Verbindungen gibt es eine Norm: DIN EN 60352 „Lötfreie elektrische Verbindungen“ trifft in Teil 3 konkrete Regelungen zum Produktbereich „Lötfreie zugängliche Schneidklemmverbindungen“ und nennt hier „Allgemeine Anforderungen, Prüfverfahren und Anwendungshinweise “.
Diese Norm nimmt Bezug auf Leitungen, deren Adern aus einem Draht bestehen bzw. aus sieben Drähten aufgebaut sind. In der Industrie verwendet man aber häufig Kabel mit 19 Drähten, die man benötigt, um die bei beweglichen Leitungen erforderliche Dynamik zu gewährleisten.
Das heißt zunächst einmal: Die Ethernet- und Profibus-Leitungsadern mit 19 Drähten, die über Schneidklemmen mit ihren Steckern verbunden sind, entsprechen nicht den Buchstaben der Norm. Auch die Steckverbinderzulassung ist unter diesen Voraussetzungen nicht gegeben. Auf der anderen Seite bewähren sich die Verbindungen auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen in der Praxis ohne Einschränkungen, und ein Wechsel auf Kabel mit einer oder sieben statt 19 Drähten wäre angesichts der dynamischen Einsatzbedingungen keineswegs ratsam.

Eigene Tests im „Teamwork“
Igus bietet innerhalb des Chainflex-Programms verschiedene Ethernet- und Profinet-Leitungen und arbeitet bei der Konfektionierung von „readychain“-Systemen für anspruchsvolle Anwendungen häufig mit Harting zusammen. Wenn dabei Ethernet- und Profinet-Leitungen zu konfektionieren sind, kommen die RJ45-Steckverbinder der Baureihe RJ Industrial 10G zum Einsatz.
Der logische Schritt für die beiden Unternehmen bestand darin, die in der Praxis erfolgreichen Leitungssysteme nach den Anforderungen der DIN EN 60352-3 zu prüfen. Dabei konnte das akkreditierte Prüflabor von Harting in Espelkamp genutzt werden sowie die umfassenden Testeinrichtungen im Igus-Prüffeld.

Leitung und Verbindung auf Haltbarkeit getestet
Zum Testumfang gehörten Langzeitversuche mit konfektionierten Leitungssystemen, die gemäß definierten Anforderungsprofilen beansprucht wurden. Getestet wurde die Möglichkeit der Verarbeitung im Stecker und die Kontaktierung von Litze zu Schneidklemme. Auch widrige Umgebungsbedingungen, wie häufige Temperaturwechsel und Feuchtigkeit, wurden simuliert. Ziel der Tests war es, die in der DIN EN 60352-3 genannten Prüfverfahren anzuwenden und sowohl die Leitungen als auch die Schneidklemmverbindungen höchsten Beanspruchungen auszusetzen.

Ergebnis: Alles bestens auch nach hochdynamischen Tests
Am Ende eines jeden Testzyklus wurden die Prüflinge – so fordert es die DIN EN 60352-3 – in Kunstharz eingegossen. Nach der Aushärtung wurde der Block geschliffen und so lange poliert, bis ein Querschnitt durch die Kontaktebene frei lag. Die zentrale Frage lautete dann: Sind die Leiter verformt und liegt eine kaltgeschweißte, gasdichte Verbindung vor? Geprüft wurde auch, ob sich der Draht aus der ursprünglichen Einpresstiefe zurückbewegt hat und inwieweit er beweglich ist.
Die Tests verliefen – so kann man zusammenfassend feststellen – zur vollen Zufriedenheit der beiden Hersteller. Die Schliffbilder zeigten auch nach intensivem dynamischem Einsatz eine einwandfreie kaltgeschweißte Verbindung, die auch bei Weiterführung der Tests eine lange Lebensdauer erwarten lassen (Bild 3).

Standard- und Sonderleitungen getestet
Die beschriebenen Tests wurden an den Standard-Busleitungen des Chainflex-Programms durchgeführt. Für Ethernet-Systeme sind das die Baureihen „CFBUS.04x“, für Profinet die ­Serie „CFBUS.060“. Einbezogen wurden auch Leitungen mit Ummantelungen aus PVC (für Einsätze in der Holz­industrie), PUR (für Anwendungen, in denen Ölbeständigkeit gefordert wird), halogenfreiem TPE sowie Leitungen mit UL-Zulassungen. Ebenso wurden die dynamisch besonders belastbaren Leitungen für Robotik-Anwendungen „CFROBOT8.045“ (Ethernet) und „CFROBOT8.060“ (Profinet) erfolgreich getestet.
Weiterhin wurden die erst 2012 vorgestellten CF-Bus-Leitungen für die Stromversorgung mittels „Power over Ethernet“ in die Testreihen einbezogen. Sie sind die Weiterentwicklung der bewährten Ethernet/CAT5/GigE-Busleitungen, die nun eine 300-V-UL-Zulassung aufweisen (Bild 4). Damit steht der integrierten Stromversorgung mit bis zu 300 V nichts mehr im Wege, und im Zusammenspiel mit dem um 20 % verringertem Biegeradius auf nur noch 10 × d sind platzsparende Installationen möglich.

Fazit: „Tried and tested“
Zusammenfassend kann man festhalten: Auch wenn die CF-Bus-Leitungen für Ethernet und Profinet mit ihren 19 Einzeldrähten pro Ader nicht explizit in der DIN EN ­60352-3 erwähnt sind, kann der Anwender sicher sein, dass diese Leitungen – auch und gerade in Verbindung mit den bewährten Harting-RJ-­Industrial-10G-Steckern in Schneidklemmtechnik auch höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllen. Dies gilt selbst für widrige Umgebungsbedingungen mit Feuchtigkeit und häufigen Temperaturwechseln sowie für hochdynamische Anwendungen.

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Autor: Andreas Muckes ist Produktmanager Chainflex bei der Igus GmbH in Köln.