Flexible Kabel und Leitungen für feste und bewegte Anwendungen

Titelbild flexible Kabel

Was sind flexible Kabel und Leitungen?

Die einfachste Leitung ist ein massiver Draht mit einem Kunststoffmantel. Sie lässt sich biegen und behält diese Biegung bei – wenn man es nicht allzu oft macht, denn dann bricht der Draht. Solche einfachen Leitungen kommen in Hausinstallationen vor. Einmal verlegt, bleibt das Kabel Jahrzehnte unberührt an seinem Platz. Für die vielen anderen Anwendungen, wo Leitungen flexibel und elastisch sein müssen, eignen sich solche massiven Drähte nicht. Dort bestehen die Leiter in den Adern aus Litzen, Bündel aus feinen Drähtchen, die sich je nach Ausführung millionenfach biegen lassen, ohne dass sie brechen und ihre Eigenschaften verlieren, Strom oder Daten zu übermitteln.

Einer der zermürbendsten Einsatzorte für eine Leitung ist eine Schleppkette. Dort liegen Strom-, Servo- und Datenleitungen eng beieinander und bewegen sich im Arbeitstakt einer Maschine hin und her. Teilweise schneller als fünf Meter pro Sekunde mit mehr als fünffacher Erdbeschleunigung. Die Leitungen werden in der Schleppkette so verlegt, dass sie nur in eine Richtung gebogen werden. Das ist aber nur eine von drei möglichen Bewegungsarten:

  • Biegen: Die Leitung wird verbogen, mitunter Millionen Male;
  • Torsion: Die Leitung wird in Längsrichtung verdreht. Reine Torsionsbewegungen findet man in Windkraftanlagen bei Leitungen, die von der drehbaren Gondel hinab in den Turm führen. Sie sind aber selten, in den meisten Anwendungen werden Leitungen sowohl gebogen und tordiert;
  • Auf- und Abtrommeln: Das betrifft Leitungen etwa in der Veranstaltungstechnik oder im Live-TV, die von Trommeln abgerollt und nach der Veranstaltung wieder aufgerollt und gelagert werden.

Spezial­-Roboterleitungen unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von anderen robusten Leitungen für bewegte Anwendungen. Der wichtigste Unterschied: Roboterleitungen halten sowohl Biegung als auch Torsion über die gesamte Lebensdauer aus, sie werden bei der Entwicklung grundsätzlich anders entworfen als etwa eine Schleppkettenleitung. Drei Parameter sind bei einer Roboterleitung von Bedeutung:

  • Litzenleiterklasse: Roboterleitungen, die Torsionsbelastungen ausgesetzt sind, haben meist „feindrähtige“ Litzen der Klasse 5. Hochflexible Leitungen wie ÖLFLEX® FD oder ÖLFLEX® CHAIN, die reiner Biegebelastung ausgesetzt sind, etwa in Energieführungsketten oder linear­bewegten Achsen von Portalrobotern, enthalten sogar „feinstdrähtige“ Litzen der Klasse 6. Für höchste Ansprüche reicht aber auch die höchste Litzenleiterklasse 6 nicht aus. So nutzten wir bei LAPP für Leitungen, die hochbiegsam sein müssen, Litzen außerhalb der Norm, bei denen die einzelnen Drähte mit bis zu 0,05 Millimetern Durchmesser noch einmal erheblich dünner sind als die dünnsten Litzendrähte innerhalb der Norm.
  • Torsionswinkel: Dieser Winkel wird in Grad pro Meter Leitungslänge angegeben. Ein typischer Wert ist 360°/m, so eine Leitung kann man also pro Meter Länge einmal um ihre Achse tordieren, ohne dass sie Schaden nimmt. Dies gilt für Leitungen ohne Schirmung, mit Schirmung liegt der Wert typischerweise bei 180° oder einer halben Umdrehung pro Meter.
  • Biegeradius: Dieser sollte zwischen dem vier- und dem 7,5-fachen des Außendurchmessers betragen und damit zum Teil deutlich weniger als bei Leitungen, die lediglich für gelegentliche Bewegung ausgelegt sind. Das erlaubt das Führen der Leitung in engen Radien und dicht gepackt in Schlauchpaketen.

Neben der Litzenleiterklasse gibt es noch weitere Aspekte, die eine flexible Leitung von einer weniger flexiblen unterscheidet. Einer ist die Verseilung. Um zu verstehen, was damit gemeint ist, hier ein Vergleichsbeispiel, das jeder kennt: ein Haarzopf. Je enger man diesen flechtet, umso dicker wird er, dickere und dünnere Stellen wechseln sich ab. Nimmt man dieselbe Zahl von Haaren einfach zu einem parallelen Bündel zusammen, ist dieses merklich dünner. Die Dicke wächst, wenn man das Haarbündel verdrillt. Etwas Ähnliches geschieht mit den Kupferlitzen beim Verseilen. Die feinen Metalldrähte werden verdrillt, weil das die Flexibilität verbessert – würden alle Litzen und alle Adern parallel verlaufen, so würden bei jeder Biegung der Leitung die außenliegenden Kupferdrähte gedehnt und die innen liegenden gestaucht. Die Leitung würde dadurch sehr starr. Steuern kann man Dicke und Flexibilität durch die Schlaglänge: die Distanz für einen Umlauf der Verdrillung. Ist sie länger und damit die Verdrillung geringer, fällt die Leitung dünner aus.

Leitungen, die viel bewegt werden, enthalten eine Gleitunterstützung: Sie hilft den Komponenten innen, sich möglichst reibungsarm gegeneinander zu bewegen. Außerdem dienen sie als Füllstoff, der die Leitung rund hält. Das ist wichtig, wenn die Leitung durch eine Verschraubung läuft oder in einen Steckverbinder. Ist der Mantel nicht richtig rund, kommt es hier zu Problemen mit der Dichtigkeit. Gleitunterstützer können verseilte feine Kunststofffasern sein, die sich in die Zwischenräume zwischen den Adern schmiegen. Dickere Adern werden oft mit einer Vliesbandierung aus Polytetrafluorethylen umwickelt, die das Gleiten aneinander erleichtert, insbesondere bei Torsion.

Ob eine Leitung solche Bewegungen über lange Zeit aushält, hängt auch vom Mantelmaterial ab. Die Materialexperten haben die Herausforderung, dass sie außer der Beweglichkeit meist weitere Eigenschaften wie Brandverhalten oder Widerstandsfähigkeit gegen Öl, Chemikalien und Reinigungsmittel unter einen Hut bringen müssen. Bei den Mantelmaterialien dominiert nach wie vor PVC den Markt, daneben haben sich weitere Werkstoffe etabliert wie thermoplastische Elastomere (TPE) oder Polyurethan, das bei hochdynamischen Anwendungen erste Wahl ist, etwa in der ÖLFLEX® Servo FD 796 CP. Beim Isolator der Adern hat sich in bewegten Anwendungen besonders Polypropylen bewährt. Es hat bei hoher Festigkeit und geringer Dichte sehr gute elektrische Isolationseigenschaften.

Für sehr hohe Datenraten über lange Distanzen sind Lichtwellenleiter erste Wahl. Sie bestehen aus 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. Dann muss man auch keine Angst haben, dass eine Glasfaser splittern könnte. 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, das heißt, in der engen Kurve geht Licht verloren und die Signalqualität leidet. 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. Wird die Leitung gedehnt, nimmt die Textilhülle die Zugkraft auf und verhindert, dass der Lichtwellenleiter mitgedehnt wird.

Wo werden flexible Leitungen eingesetzt?

Außer bei der festen Verlegung, etwa in der Hausinstallation, fast überall. In der Industrie in allen Anwendungen, wo sich etwas bewegt: An beweglichen Maschinenteilen oder an Bearbeitungsstationen an Fertigungsstraßen, in Schleppketten, an Robotern, in Windkraftanlagen und Ölbohrplattformen, in Fahrzeugen und Motoren, an Kränen und Nutzfahrzeugen, auch in Anwendungen, wo Vibrationen auftreten.

Welche flexiblen Leitungen gibt es von LAPP?

Fast alle Leitungen der Marke ÖLFLEX® sowie alle Datenleitungen der Marken UNITRONIC®, ETHERLINE® und HITRONIC® sind flexibel. Unterschiede gibt es bei den Biegeradien, die unbedingt eingehalten werden müssen. Manche Leitungen erlauben nur gelegentliches Biegen, andere dürfen Millionen Male gebogen werden. Einige Leitungen sind speziell für Torsion optimiert. Die eine Leitung, die alle Anwendungen abdeckt, gibt es leider nicht, aber die Anwendungsexperten von LAPP finden für alle möglichen und unmöglichen Einsatzzwecke eine Lösung. Von LAPP gibt es auch passendes Zubehör, um flexible Leitungen zu verbinden und zu in Kabelkanälen und Kabelschläuchen zu schützen. Gerade in hochdynamischen Anwendungen, auch mit Torsion, ist der Übergang am Steckergehäuse kritisch. Das Gehäuse muss die Leitung sicher festhalten, damit sie nicht herausrutscht oder Feuchte eindringt.

Ein gutes Beispiel, wie unterschiedlich Leitungen optimiert werden können, sind die Lichtwellenleiter von LAPP. HITRONIC® TORSION wurde speziell für Anwendungen mit hoher Torsion wie in Windkraftanalagen ausgelegt. Sie hat bis zu zwölf Glasfasern für Single- und Multimode-Übertragung, eine Zugentlastung aus Aramid-Fasern sowie einen halogenfreien und schwer entflammbaren Mantel aus Polyurethan. HITRONIC® HDM ist ähnlich aufgebaut, aber besonders für das Auf- und Abwickeln auf Kabeltrommeln geeignet. Und HITRONIC® HRM FD eignet sich für den Einbau in Energieführungsketten, wo es auf hohe Biegsamkeit ankommt, aber nicht auf Torsion.

Dass LAPP hier keine falschen Versprechungen macht, belegen die Tests bei LAPP in Stuttgart. In einem zwölf Meter hohen alten Aufzugsschacht werden Leitungen für Windenergieanlagen auf Torsion getestet – das ist weltweit einzigartig. Andere Hersteller testen kürzere Kabelstücke, die sie mit geringeren Winkeln verdrillen, und rechnen das auf größere Leitungslängen hoch. Entscheidend ist aber nicht, was auf dem Papier steht, sondern was unter realen Bedingungen herauskommt.

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