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Kabeltechnik – Serie

Tipps zur Auswahl des richtigen Kabelsystems

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Anbieter zum Thema

SAB Bröckskes GmbH & Co KG
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.
W. L. Gore & Associates GmbH

AnwendungsspezifischeBeanspruchungen

Anwendungsspezifische Beanspruchungen ergeben sich durch Einschränkungen der Applikation, in der das Produkt zum Einsatz kommen wird. So benötigen Luftfahrtanwendungen beispielsweise besonders kleine und leichte Kabel, um das Startgewicht zu minimieren, während Netzwerk-Router sehr hohe Datenraten übertragen, sodass die Größe des Kabels sowie dessen Dämpfung wichtige Aspekte sind.

Wenn bereits Hardware existiert, müssen die Steckverbinder auf beiden Seiten kompatibel sein, und wenn die Kabel in Bereichen wie Transport oder Automatisierung mit Kontakt zur Öffentlichkeit zum Einsatz kommen, dann spielen zusätzlich auch Sicherheitsaspekte wie beispielsweise die Entflammbarkeit, der Berührungsspannungsschutz sowie die Verwendung von Halogenen als Kabelbestandteile eine wesentliche Rolle.

Eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Entwicklung eines Kabelsystems, das in einer rauen Umgebung zum Einsatz kommen soll, ist die Tatsache, dass elektrische, mechanische und umwelttechnische Eigenschaften miteinander vernetzt sind.

Jede einzelne dieser komplexen Eigenschaften hat direkte Auswirkungen auf die anderen, so dass die Entwickler eines Kabels einerseits gute Leistungsdaten in einem Bereich sicherstellen müssen, während sie andererseits gleichzeitig die Auswirkungen der oben aufgeführten zusätzlichen Faktoren berücksichtigen müssen.

Welches Material soll man nehmen?

Die Auswahl des richtigen Materials für die Kabelisolierung und die Ummantelung ist eine systemkritische Entscheidung. Um eine qualitativ hochwertige Signalintegrität sicherzustellen, müssen die Entwickler zunächst die zur Isolation und Ummantelung verwendeten Materialien auf ihre Eigenschaften untersuchen, die unter den rauen Bedingungen der jeweiligen Anwendung in Betracht kommen.

Ergänzendes zum Thema
Häufige Fehler bei der Kabelauswahl
  • Die Kabelaufnahme ist zu klein. Weil die Carrier überfüllt sind, verdrehen sich die Kabel während der Bewegung.
  • Der Kabelmantel ist zu weich oder zu flexibel.
  • Der Biegeradius des Carriers ist kleiner als der des Kabels. Das führt zu starken Beanspruchungen des Leiters in einem Rundkabel, die Leiter und Störschutz schädigen.
  • In hochbeschleunigten/Hochgeschwindigkeits-Systemen wirken größere Kräfte auf Kabel und Leiter, d.h., erhöhte Reibung und zusätzliche Spannungen.

Die in Signalkabeln verwendeten dielektrischen Materialien wirken sich sowohl auf die Signalintegrität als auch auf die Robustheit des Kabels aus. Das in einer äußeren Ummantelung oder in einem Anschlussdraht verwendete Isolationsmaterial wirkt sich auf die Maximalspannung sowie auf die Abriebfestigkeit aus.

Die Liste der zur Isolation und Ummantelung in Kabeln einsetzbaren Werkstoffe und Materialien ist sehr lang, und viele davon wurden für spezielle Applikationen wie beispielsweise den Transportbereich, Leistungsanwendungen und Datenübertragung entwickelt.

Weil diese Materialien jeweils individuelle Eigenschaften aufweisen, sind einige für den Einsatz in rauen Umgebungen besser geeignet als andere. Hierzu zählen auch Silikon, Polyurethan, Polyethylen, Fluorpolymere sowie technisch verbesserte Fluorpolymere, um nur einige zu nennen.

Silikon kommt aufgrund seiner exzellenten Durchschlagsfestigkeit primär zur Isolation der Ummantelung sowie zur Isolation von Hochvoltleitern zum Einsatz, weil es die Koronaentladungen zwischen dem Leiter und der Isolationsschicht verringert. Außerdem ist es sehr strahlungsfest.

Polyurethan ist ein gutes Ummantelungsmaterial, kommt aber nicht als Isolationsmaterial zum Einsatz, weil seine Spannungs-Durchschlagsfestigkeit im Vergleich zu anderen Materialien nur gering ist.

Polyethylen ist für die inneren Leitungsummantelungen am besten geeignet, weil Polyethylen-Ummantelungen tendenziell steif sind, was aber Auswirkungen auf die Flexibilität des Kabels hat.

Fluorpolymere und verbesserte Fluorpolymere wie beispielsweise FEP, PFA, PTFE und technisches PTFE eignen sich besonders gut als Isolations- und Ummantelungsmaterialien – und zwar vor allem in Anwendungen, in denen die Kosten eines Systemausfalls hoch sind.

Unter allen Isolationsmaterialien weisen Fluorpolymere mit die höchste Spannungs-Durchschlagsfestigkeit auf. Fluorpolymere können extreme Temperaturen verkraften – je nach Variante von –250 bis 260°C, ohne ihre Flexibilität einzubüßen. Gleichzeitig wiederstehen sie einer Exposition mit Chemikalien, Säuren und aggressiven Lösungsmitteln. Sie sind von Natur aus nicht entflammbar und weisen eine niedrige Ausgasung auf, während beispielsweise Silikon im Vakuum stark ausgast.

Ergänzendes zum Thema
So entsteht Polyterafluorethylen (PTFE)

Die modulare Struktur von PTFE und anderen Fluorpolymeren verleihen dem Werkstoff Eigenschaften, die sie zu einer besonderen Klasse machen. Ein Standard-Polyethylen-Molekül hat eine kettenförmige Struktur mit zwei Kohlenstoff-Atomen, je mit einer Einfachbindung an das Nachbar-Kohlenstoffatom. Jedes Kohlenstoffatom bindet zudem zwei Wasserstoffatome zu C2H4. In PTFE ersetzen Fluor-Atome die Wasserstoff-Atome und bilden C2F4.

Fluor ist stark elektronegativ und besitzt einen größeren Atomdurchmesser als Wasserstoff. Diese beiden Charakteristika zusammen machen PTFE zu einem hydrophoben, nichtreaktiven (phasenfreien) Thermoplast. Die Elektronegativität von Fluor weist die negative Seite bipolarer Wassermoleküle ab. Die Atomgröße zusammen mit starker Kohlenstoff-Fluor-Bindung verhindert physikalisch die Reaktion positiv geladener und nichtpolarisierter Moleküle, etwa Öl und organische Lösungsmittel, mit dem Polymerstrang.

Die chemische Trägheit von PTFE vermeidet Vernetzungen, die zu einem härteren Duroplast führen würden und minimiert zudem die Entflammbarkeit. PTFE ist temperaturstabil von –250 bis 260 °C und ist in seiner expandierten Form ein exzellenter elektrischer Isolator.

Das Fehlen größerer funktioneller Gruppen und Vernetzungen im Polymer bedeutet, dass die Polymer-Ketten darauf aus sind, aneinander vorbei zu gleiten, wodurch der Kunststoff mechanisch weich bleibt. Diese Weichheit ermöglicht die Absorption mechanischer Energie und beschert einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Auch neigt PTFE zur Fließdehnung, einer günstigen Eigenschaft für gleichförmige Abdichtungen.

Die Herstellung von PTFE beginnt mit Flussspat, auch bekannt als Fluorit (CaF2). Das Mineral ist in Schwefelsäure gelöst, um Flusssäure zu bilden; die Basis von Tetrafluorethylen-Harz. Dieses Harz wird zu PTFE-Blöcken oder PTFE-Tafeln fließgepresst (extrudiert) oder zu Pulver verarbeitet.

Wird das Polymer auf über 300 °C erhitzt (die Temperatur bleibt aber unter dem Schmelzpunkt von 327 °C) und anschließend rasch mit einer Zugkraft beaufschlagt, dann streckt sich das Polymer in seiner Mikrostruktur, und es entsteht ePTFE. Das gestreckte Polymer erscheint unter dem Rasterkraftmikroskop als Netz dicht gewickelter Knoten, durch Fasern verbunden. Diese Erscheinung wurde erstmals durch W.L. Gore and Associates 1969 entdeckt.

Indem die Expansion des Materials durch Temperatur, Kraft, Menge und Richtung beherrscht wurde, konnten Ingenieure viele mikrostrukturelle Merkmale von ePTFE vorgeben; einschließlich der Netzstruktur, Faserdichte und Knotenabstände. Unterschiedliche mikrostrukturelle Aufbauweisen, umgesetzt in jeweilige Endprodukte wie Gewebe, Röhren, Bänder oder Membranen, verleihen den ePTFE-Produkten von Gore einzigartige Charakteristika.

So kann z.B. die Optik in einem Satelliten durch Silikonöl oder andere Verarbeitungs-Schmiermittel beschlagen, die aus einem Kabel ausgasen. PTFE ist in chemischer Hinsicht inert und enthält keinerlei Prozess-Additive, Öle, Schmiermittel oder Weichmacher, sodass PTFE sich am besten für den Einsatz in Vakuum-Umgebungen eignet.

Bestimmte Fluoropolymere können so eingestellt werden, dass ihre physikalischen, chemischen und elektromagnetischen Eigenschaften verbessert werden.

* * Paul Warren...ist als Applikationsingenieur bei W.L. GORE & Associates. Ltd., in Landenberg, Pennsilvania, USA, tätig.

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