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Anschlusstechnik Neuartige Schirmung für Steckverbinder

| Autor / Redakteur: Manuel Rüter / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Phoenix Contact hat eine neue Art der Schirmanbindung entwickelt – mit flüssigem Spezialzinn. Zahlreiche Vorteile zeigen sich bei Daten-, Signal- und Leistungsübertragung.

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Kunststoff, Metall, Kunststoff – nahtlos und sicher – die Advanced Shielding Technology ermöglicht eine robuste und zuverlässige Daten-, Signal- und Leistungsübertragung.
Kunststoff, Metall, Kunststoff – nahtlos und sicher – die Advanced Shielding Technology ermöglicht eine robuste und zuverlässige Daten-, Signal- und Leistungsübertragung.
(Bild: Phoenix Contact)

Mit den steigenden Anforderungen in der Fabrikautomation wachsen auch die Anforderungen an die M8- und M12-Steckverbindungen und Verkabelungslösungen in IP-geschützten Bereichen. Ob es sich dabei um Übertragungseigenschaften handelt, um mechanische Robustheit oder um applikationsspezifische Anforderungen – die Anschlusstechnik wird immer besser. Wie schon bei der Steigerung der Übertragungseigenschaften auf 10 Gbit/s oder bei der Integration neuer Steckgesichter für den industriellen Einsatz – etwa beim X-kodierten M12- oder beim miniaturisierten D-kodierten M8-Steckverbinder – müssen auch Technologien im Inneren des Steckverbinders optimiert werden. Mit der „Advanced Shielding Technology“ hat Phoenix Contact keine bereits existierende Technik weiterentwickelt, sondern die Schirmanbindung von Rundsteckverbindern wie dem M8 und M12 komplett neu gedacht.

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Das konventionelle Verfahren, das die Nutzung von Crimp­hülsen in Zink-Druckguss oder Edelstahl als Schirmelement vorsieht, sorgt für eine hohe Materialvarianz im Fertigungsprozess. Bedingt ist diese Varianz durch Unterschiede beim Leitungsdurchmesser und bei der Schirmbeschaffenheit sowie durch spezifische Anforderungen an die zu realisierende Schirmanbindung. In den letzten Jahren wurde die Technologie der Schirmhülsen als Crimpvariante immer weiter verfeinert und optimiert. Dabei wurden neue Materialien auf bessere Eigenschaften geprüft, und die Fertigungsprozesse wurden ebenfalls optimiert. Die Herausforderung bestand somit nicht darin, die bestehende Technologie der Crimphülse noch um eine minimal optimierte Variante zu erweitern. Sie bestand darin, eine sichere Schirmverbindung auch bei extremer mechanischer Beanspruchung zu erreichen und dabei die Schwächen der Crimphülsen zu umgehen.

Metallumspritzung mit Spezialzinn

Ob nun bei Applikationen mit Schleppketten, in Umgebungen mit extremen Witterungsbedingungen oder bei Robotik-Applikationen mit hohen Anforderungen an die mechanische Verbindung – die Anforderungen an standardisierte Industrie-Steckverbinder steigen ständig. Hier setzt nun die neue Technologie auf eine spezielle Polyamid-Vorumspritzung. Diese neuartige Vorumspritzung schützt die Einzeladern und dient der mechanischen Robustheit. Gleichzeitig sorgt sie für den sicheren Halt des Kontaktträgers und dichtet gegen eindringende Feuchtigkeit ab. Der eigentliche Quantensprung – die Innovation gegenüber bestehenden Konzepten – ist eine Metallumspritzung mit Spezialzinn. Sie umschließt die Polyamid-Vorumspritzung und sorgt für eine stoffschlüssige Verbindung von Schirmgeflecht mit dem Kopf des M8-/M12-Steckverbinders. Dieser sicheren 360°-Schirmanbindung können auch Stromspitzen von bis zu 20 kA – wie sie etwa von Blitzen erzeugt werden – nichts anhaben.

Die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Mikroschirm­unterbrechungen erweitert das Einsatzgebiet der Steckverbinder auch um Applikationen mit hohem Schock- und Vibrationsaufkommen – wie etwa in der Robotik. Diese Anwendungen erfordern nicht nur Schleppkettentauglichkeit, sondern eine hohe Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen Kombinationen aus mechanischen Belastungen wie Torsion. Hier bieten die neuen Steckverbinder mehr Sicherheit im Vergleich zu konventionellen Produkten. Die hohe Robustheit, die bereits durch die Vor- und Metallumspritzung erreicht wird, kann durch den Prozess der Griffkörperumspritzung noch optimiert werden. Dabei unterstützt das kompakte Design der Rundsteckverbinder auch die Anforderungen nach Miniaturisierung im Hinblick auf Industrie-4.0- Applikationen.

Buchtipp

Das Praxishandbuch Steckverbinder ist ein Nachschlagewerk für die Geräteentwicklung und für den Einsatz von Steckverbindern. Entwickler und Anwender erhalten Antworten auf Fragen zur Ausführung, Materialien, physikalische Grundlagen, Kontaktoberflächen, Abschirmmaßnahmen, Gehäusemechanik und Verriegelungssysteme.

Schirmungskonzept für Daten-, Signal- und Leistungsübertragung

Viele Anwender setzen in industriellen Applikationen nicht nur auf konfektionierte geschirmte M8- und M12-Datenleitungen, sondern nutzen geschirmte Lösungen auch für die Leistungs- und Signalverkabelung. Auch hier zeigt die Technik – im Vergleich zu anderen Schirmungskonzepten – aufgrund des speziell entwickelten Zinns in Verbindung mit der Vorumspritzung eine höhere Wärmeableitung im Kurzschlussfall. Die besonders für Datenleitungen relevante elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert sich im Vergleich zu konventionellen Crimphülsen um bis zu 60 %.

Diese signifikante Verbesserung wird durch die stoffschlüssige Verbindung des Leitungsschirmes mit dem Steckverbinderkopf erreicht. So sind bei der Datenübertragung künftig auch Applikationen mit bis zu 40 Gbit/s denkbar, damit ist die Zukunftssicherheit dieser Technik auch für hoch performante Systeme im Highspeed-Datenbereich oder für die Echtzeitkommunikation gegeben. Zudem wirkt sich der niederohmige Widerstand der Verbindung zwischen Metallumspritzung und Leitungsschirm positiv auf die elektrischen Eigenschaften aus. Auch damit empfiehlt sich die neue Technik im Hinblick auf Industrie 4.0-Projekte.

Hochautomatisierte Herstellung erhöht Prozesssicherheit

Einige Schwierigkeiten bei der Verwendung von Crimphülsen resultieren nicht aus dem Material oder aus der Crimphülse selbst – die Herausforderungen liegen eher im Fertigungsprozess. Falsche Hülsendurchmesser, zu feste Verbindungen zur Leitung mit dem Risiko der Beschädigung, Nicht-Kontaktierung des Schirms: Hier müssen einige Prozessparameter beachtet werden. Daher sind bei geschirmten Produkten manuelle oder teilautomatisierte Prozesse heute noch die Regel. Die Konsequenz ist eine aufwändige Qualitätssicherung und -kontrolle.

Zudem gibt es auf Anwenderseite immer wieder Probleme mit brechenden Schirmanbindungen im Bereich der verpressten Zone am Kabelmantel – ein Fehlerbild, das besonders in bewegten Applikationen durch die mechanische Belastung der Leitung an der Verbindung mit der Crimphülse begünstigt wird. Außerdem erfordert die hohe Varianz an Einzelteilen einen höheren logistischen Aufwand, was dann aber wieder die Verfügbarkeit beim Anwender erschwert.

Die Advanced Shielding Technology soll diese Probleme vollständig lösen, denn das Schirmgeflecht wird während der Fertigung überhaupt nicht mehr mechanisch belastet. Dieses hochautomatisierte Herstellungsverfahren erhöht die Prozesssicherheit erheblich, und Abhängigkeiten von Materialien und Lieferanten gehören der Vergangenheit an.

Anwenderkongress Steckverbinder

Der Anwenderkongress Steckverbinder in Würzburg beleuchtet praxisorientiert technische Aspekte beim Design und Einsatz moderner Steckverbinder. In Praxis-Workshops vermitteln hochkarätige Experten elektrotechnische Grundlagen, spezifisches Knowhow und helfen bei der Auswahl des richtigen Steckverbinders.

Feldverkabelung optimieren

Steigende Anforderungen an die Feldverkabelung erfordern neue Entwicklungen bei den Steckverbindern – das gilt ganz besonders für die Schirmanbindung. Mit der Advanced Shielding Technology will Phoenix Contact einen wichtigen Beitrag zur weiteren Optimierung der M8- und M12-Steckverbinder leisten: robust, hochverfügbar, langlebig und widerstandsfähig auch bei Überlastung. Damit wird ein wichtiger Grundstein gelegt für die Verkabelung der Zukunft.

* Manuel Rüter ist Produktmanager Passive Netzwerkkomponenten im Bereich Industrial Field Connectivity bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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