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Elektrische Verbindungstechnik

Das passende Material für die Leitung finden

| Redakteur: Sandra Häuslein

Kabel und Leitungen sowie deren Anschlusstechnik müssen im industriellen Einsatz jede Menge aushalten. Die richtige Wahl der verwendeten Materialien ist daher ausschlaggebend, um Schäden und daraus folgende Produktionsausfälle zu vermeiden.

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Bei der energiedispersiven Röntgenfluoreszenz-Analyse (EDX) wird überprüft, ob die RoHS-Richtlinie eingehalten wird und ob die Leitung halogenfrei ist. Außerdem können damit Flammschutzmittel identifiziert werden.
Bei der energiedispersiven Röntgenfluoreszenz-Analyse (EDX) wird überprüft, ob die RoHS-Richtlinie eingehalten wird und ob die Leitung halogenfrei ist. Außerdem können damit Flammschutzmittel identifiziert werden.
(Bild: Wolfram Scheible/Lapp)

Ist ein Kabel mit PUR-Mantel besser als eines mit PVC? Reicht bei einem Steckergehäuse eines aus Aluminium-Guss oder wäre Zink-Druckguss oder Kunststoff die bessere Wahl? Je nach Einsatzzweck haben die Materialien unterschiedliche Vor- und Nachteile, die abzuwägen sind.

Beispielsweise in der Lebensmittelindustrie: Dort müssen Kabelverschraubungen, Kabel und Schlauchdurchführungen Chemikalien oder Reinigungsmitteln widerstehen. Aus diesem Grund kann in der Produktzone auf Edelstahl nicht verzichtet werden. Er rostet nicht und es gibt keine Beschichtung, die irgendwann abblättern könnte. Aber Edelstahl hat nicht immer die gleiche Qualität. So gibt es V2A-Edelstahl, der relativ günstig, aber in Bezug auf die chemische Beständigkeit oft nicht ausreichend robust ist. Wird beispielsweise hypochlorige Säure eingesetzt, die sich zu Salzsäure zersetzt und organische Substanzen abtötet, ist V2A-Edelstahl ungeeignet. Für solche Fälle gibt es mit V4A eine widerstandsfähigere Legierung. Sie ist extrem hart und widersteht Schlägen oder der Reinigung mit harten Bürsten.

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Edelstahl für die Lebensmittelindustrie

Allerdings ist Edelstahl härter als Messing oder andere Stähle und deshalb aufwändiger zu bearbeiten. Das gilt besonders für V4A, wegen der Legierungselemente Chrom, Nickel und Molybdän. Bei unbehandelter Oberfläche ist V4A außerdem rauer, die Reibung ist höher. Schrauben, die über ihr Gewinde große Kräfte halten müssen, würden deshalb stecken bleiben. Lapp beispielsweise unterzieht seine Produkte aus V4A-Edelstahl einer speziellen Oberflächenbehandlung, die die Reibung verringert und somit problemloses Anziehen und Lösen der Kabeleinführung ermöglicht.

Bei Rechtecksteckverbindern kommt Edelstahl allerdings nicht infrage, weil sich das Metall wegen seiner Härte nicht sinnvoll bearbeiten lässt. Es müsste unter hohem Aufwand aus dem vollen Block gefräst werden und das würde kein Kunde bezahlen wollen. Eine Alternative sind Gehäuse aus vernickeltem Zink-Druckguss. Dieses Material ist korrosionsbeständig, etwa im Salznebel auf Ölbohrplattformen oder eben auch in der Lebensmittelindustrie.

Manche Anwender weichen auf Kunststoffgehäuse aus, die zum Teil auch widerstandsfähig sind gegen Säuren und Laugen. Sie bergen aber das Risiko geringerer Formstabilität unter mechanischen oder Umwelteinflüssen.

Je nach Anwendung das richtige Material wählen

Auch bei Leitungen muss die Materialauswahl je nach Anwendung gut überlegt sein: und zwar vom Leiter und Isolator bis zum Mantel. Für den Leiter wird häufig blankes Kupfer verwendet, je nach Einsatz sind jedoch verzinnte oder versilberte Leiter sinnvoll. Das Verzinnen verhindert das sogenannte Anlaufen des Kupfers, also Korrosion, und sichert damit eine dauerhaft hohe Leitfähigkeit. Denselben Vorteil bieten versilberte Litzen, die vor allem bei Hochtemperatur-Anwendungen eingesetzt werden.

Der Isolator fungiert bei Einzeladern als Berührungsschutz und verhindert bei mehradrigen Leitungen, dass Strom von einem Leiter zum anderen fließt und es zu einem Kurzschluss kommt. Bei Leitungen zur Datenübertragung, wie Ethernet, bestimmt der Isolator auch die Qualität der Übertragung. Die entscheidende Größe ist die dielektrische Konstante des Kunststoffs. Sie sollte möglichst niedrig sein. Polyethylen und Polypropylen sind Kunststoffe, die von Haus aus eine niedrige dielektrische Konstante haben. Diesen Wert kann man weiter verringern, indem man den Kunststoff mit Stickstoff aufschäumt, in dem Moment, wo er auf den Leiter extrudiert wird. Die Lapp-Tochter Ceam Cavi Speciali beispielsweise nutzt für hochwertige Datenleitungen ein aufwändiges Verfahren, bei dem drei Schichten aus drei Extrudern direkt nacheinander aufgebracht werden, die mittlere Schicht wird aufgeschäumt. Diese Leitungen sind dünner als herkömmliche Leitungen und erlauben zudem hohe Datenraten.

Flammwidriges Material für Isolation

Wichtig ist auch das Brandverhalten von Leitungen. Wo die Gefahr von Bränden besteht, ist flammwidriges Isolationsmaterial nötig, um bestimmte Brandschutzklassen entsprechend der BauPVO (Europäische Bauprodukteverordnung) zu erfüllen. Der einfachste Weg zu gutem Flammschutz sind halogenhaltige Stoffe, die dem Kunststoff beigemischt werden. Dabei sind wenig Additive nötig, was die mechanischen Eigenschaften wenig beeinträchtigt. Wo sich Menschen aufhalten, etwa in Bussen, haben Halogene aber den großen Nachteil, dass sie bei Brand giftige Rauchgase bilden, die sich mit Löschwasser zu ätzenden Dämpfen verbinden. Eine Alternative sind HFFR-Kunststoffe (Halogen Free Flame Retardant), die toxisch unbedenklich sind, aber einen Füllgrad von teilweise über 60 % brauchen, was die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs beeinträchtigen könnte.

Ein neuer Trend sind daher so genannte synergistische Systeme: Kombinationen aus zwei Stoffen, die gemeinsam einen besseren Flammschutz erbringen als jeder der beiden Ausgangsstoffe alleine. Infrage kommt zum Beispiel ein System aus dem halogenfreien Aluminiumtrihydrat und Silanverbindungen. Aluminiumtrihydrat reagiert bei Feuer zu Aluminiumoxid und Wasser, eine endotherme Reaktion, die dem Feuer Energie entzieht. Es bildet sich zudem eine Kruste aus verbranntem Material, das als Schutzschicht dient.

Beachten muss man noch, dass Flammschutzmittel hydrophil sind. Deshalb sind etwa in der Lebensmittelindustrie, wo mit heißem Wasser gereinigt wird, andere Werkstoffe nötig. Hier eignen sich Flammschutzmittel, die mit Silanverbindungen beschichtet sind. Sie machen den Kunststoff hydrophob, also wasserabweisend.

Hohe Anforderungen an Leitungs-Mantel

Noch höhere Anforderungen als beim Isolator gelten beim Mantel, denn dieser ist unmittelbar den Umwelteinflüssen ausgesetzt. Für den Maschinenbau gibt es Leitungen mit Mänteln aus Polyvinylchlorid oder Polyurethan (PUR). Seine chemischen Bindungen gehören zu den festesten die es gibt. Allerdings ist PUR brennbar, teuer und schwierig zu verarbeiten. Ein Kompromiss, der die hohe Widerstandsfähigkeit von PUR mit der einfachen Verarbeitung von PVC vereint, sind zum Beispiel die Leitungstypen Ölflex 408P und Ölflex 409P von Lapp, die über einen PUR-Außenmantel und eine zwickelfüllenden Funktionsschicht aus PVC verfügen.

Bei der Auswahl der richtigen Materialien gilt also: immer alle Vor- und Nachteile sorgfältig abwägen. (sh)

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