Für alle Fälle

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Steckverbinder – Industriekomponenten sind bei Einsätzen im Freiland oft überfordert. Abhilfe leisten Outdoor-taugliche M12-Steckverbinder.

21. März 2011

Mehr und mehr werden Signal- und Datensteckverbinder aus dem industriellen Umfeld auch im Außenbereich eingesetzt. So unterscheiden sich zum Beispiel die Steckverbinder in Windkraftanlagen, in Steuerungen zur Panel-Nachführung bei Solarkraftwerken oder in Nutz- und Sonderfahrzeugen zunächst kaum von den in Fabrikhallen eingesetzten Komponenten.

Das ist durchaus nachvollziehbar, schließlich werden viele der praxisbewährten Eigenschaften und Funktionen aus dem Industrieumfeld auch im Extremeinsatz benötigt. Beispielsweise sind Industrie-Steckverbinder bauartbedingt gegen das Eindringen von Schmutz, Staub und Flüssigkeit geschützt und zudem in der Regel so robust ausgelegt, dass Schock und Vibration ihnen nichts anhaben kann. Dennoch kommt es unter den extremen Anforderungen im Außenbereich immer wieder zu Ausfällen einzelner Bauteile, sodass ein sicherer Betrieb der Anlagen über einen längeren Zeitraum kaum möglich ist.

Ungeeignetes Umfeld

In vielen Fällen betreffen die Störungen die weitverbreiteten M12-Steckverbinder für den Anschluss von Signal- und Datenleitungen, welche seit Jahren das Rückgrat der Automatisierungstechnik bilden und immer häufiger auch in den erwähnten Applikationen eingesetzt werden, obwohl sie nicht für den Einsatz unter den dort herrschenden extremen Umweltbedingungen konzipiert wurden.

So haben die Anbieter von M12-Steckverbindern bis heute nicht nachgewiesen, dass ihre Komponenten für den Einsatz im Freiland geeignet sind. Der Automatisierungs- und Interfacetechnikspezialist Phoenix Contact aus Blomberg hat seine M12-Steckverbinder deshalb jetzt nach umfangreichen Tests und mit einer neuen Materialkombination für extreme Einsätze fit gemacht.

Harte Anforderungen

Ausgangspunkt der Entwicklung war zunächst eine exakte Definition der unterschiedlichen Anforderungen für extreme Einsatzgebiete, da hierfür weder eine Norm noch marktübliche Testvorgaben existieren, nach denen sich ein Steckverbinder für den Outdoor-Einsatz konzipieren ließe. Allgemein gilt, dass Steckverbindungen im Außenbereich mit UV-Strahlung, Ozonbelastung, trockener und feuchter Wärme, Regen und Schnee sowie Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt zurechtkommen müssen.

Besonders belastend für die Materialien ist dabei besonders der extreme Wechsel zwischen den Temperaturbereichen. Eine wichtige Rolle spielen in diesem Kontext zudem auch die mechanische Beanspruchung sowie die Forderung des Endanwenders nach einer leichten und flexiblen Montage der Komponenten.

Am Anfang der Entwicklung des Outdoor-Steckverbinders standen daher ein detailliertes Anforderungsprofil und ein umfassender Prüfplan, der neben den Anforderungen an die M12-Steckverbinder gemäß IEC 61076-2-101 außerdem auch die spezifischen klimatischen und mechanischen Anforderungen der Outdoor-Bereiche widerspiegelt.

Realistische Prüfverfahren

Mit dem Ziel, einen möglichst realistischen Außeneinsatz zu simulieren, suchten die Spezialisten aus Ostwestfalen danach zunächst für jeden Einflussfaktor ein genormtes Prüfverfahren, etwa aus der Solar- oder Bahntechnik. Gab es kein genormtes Verfahren, wurde zwischen dem Labor und der Vorentwicklung eine aussagefähige Prüfung formuliert. Geprüft wurden vor allem die elektrischen und mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise die Vibrations- und Schockfestigkeit bei zweistelligen Minus-Temperaturen.

Besonders intensiv prüften die Ostwestfalen die Schutzarten IP67, IP68 oder IP69k unter dem Einfluss klimatischer Faktoren: Dazu gehörten ein Witterungstest mit UV-Licht, ein Korrosionstests nach Kesternich, ein Salznebel-Sprühtest, Prüfungen unter schnellen Temperaturwechseln, bei konstanter feuchter Wärme oder bei trockener Hitze sowie Tests des Einflusses von Ozon oder korrosiver Gase auf die Bauteile.

Raue Bedingungen

Erste Tests der handelsüblichen M12-Steckverbinder ergaben, dass die üblicherweise eingesetzten Werkstoffe wie TPU (Thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis) für die Umspritzung, PUR (Polyurethane) für die Leitungen, NBR für die Dichtungen sowie die vernickelten Oberflächen der Metallteile sich nur mittelfristig für einen Einsatz unter extremen Bedingungen eignen. So verloren die Kunststoff-Materialien nach den Ozon- und UV-Tests durch Verspröden ihre isolierende oder dichtende Wirkung, und die Metallteile mit vernickelter Oberfläche zeigten nach intensiven Korrosionstests einen deutlichen Rostbefall.

Beim Kontakt mit den im Außeneinsatz üblichen aggressiven Reinigungsmitteln wurden viele Kunststoffe zudem an- oder sogar vollständig aufgelöst, sodass auch die dichtende Eigenschaft der Steckverbinder verloren ging. Bei den schwarzen Kunststoffen verhinderte der hohe Rußanteil zwar ein Eindringen der UV-Strahlung in tiefere Schichten, jedoch führten die mechanischen Belastungen auch hier zum Ausfall der erforderlichen Funktion.

Robuste Werkstoffe

Eine entscheidende Rolle für die Outdoor-Tauglichkeit der Komponenten spielen deshalb die Auswahl und die Kombination der verwendeten Materialien. Für die Gehäuse der neuen M12-Outdoor-Serie von Phoenix Contact kommen daher Materialien wie Polypropylen, Polyamid und Polybutylenterephthalat (PBT) zum Einsatz. Daneben entwickelte das Unternehmen bei den umspritzten Steckverbindern ein neues Dichtkonzept im Umspritzbereich, das sich an Leitungslösungen aus dem Bereich der Solartechnik anlehnt.

Spezielle Dichtungen verhindern zudem ein Verspröden und eine mögliche Rissbildung und verzögern somit eine vorzeitige Alterung. Zusammen gewährleisten diese Anpassungen die Einhaltung der Schutzarten IP67 und IP69k auch unter den widrigsten Witterungsbedingungen. Zudem bieten die Leitungen auch bei hohen Temperaturen eine hohe Ölbeständigkeit, wovon zum Beispiel Mobilhydraulik-Applikationen profitieren.

Die Metallteile für die Verschraubungen sowie die Schirmungskomponenten bei den geschirmten Steckverbindern bestehen aus korrosionsbeständigen Edelstahl-Legierungen wie V4A oder aus einem neuartig beschichteten Zink-Druckgusswerkstoff. Diese Materialien gewährleisten einen optimalen Korrosionsschutz über einen langen Zeitraum auch bei aggressiver Atmosphäre, etwa bei Seeklima.

Durchgängige Verkabelung

Das M12-Outdoor-Programm von Phoenix Contact umfasst Verteilerboxen, frei konfektionierbare Steckverbinder sowie vorkonfektionierte M12-Leitungen in unterschiedlichen Längen. Die vorkonfektionierten Leitungen sind wahlweise geschirmt verfügbar. Die Schirmung ist dabei erstmalig in Edelstahl ausgeführt und erfolgt durch eine Verbindung, die nicht auf die Leitung, sondern auf die Schirmhülse gecrimpt wird.

Dadurch arbeitet die Schirmung selbst bei hohen mechanischen Belastungen durch Stöße und Vibrationen sicher und unterbrechungsfrei. Dies ermöglicht den Einsatz der Steckverbinder auch in CAN-Bus- oder Ethernet-Netzen, die häufig für die Datenkommunikation in den beschriebenen Applikationen genutzt werden.

Insgesamt ermöglichen die robusten M12-Steckverbinder damit einen zuverlässigen und langfristigen steckbaren Anschluss von Signal- und Datenleitungen auch in Freiland-Applikationen. Da die Umwelteinflüsse jedoch zahlreiche Materialien erst über einen längeren Zeitraum schädigen, bringt eine nachgewiesene Outdoor-Tauglichkeit auch bei anderen Anwendungen viele Vorteile im Hinblick auf die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Auf einen Blick

Die Testreihen für die Outdoor-M12-Steckverbinder von Phoenix Contact umfassten zahlreiche elektrische und mechanische Prüfungen.

Neben der mechanischen Festigkeit in Vibrations- und Schockstests prüfte der Hersteller vor allem die klimatische Belastbarkeit sowie die Dichtheit nach IP67, IP68, IP69k

Als Prüfverfahren dienten z.B. ein Witterungstest (UV), Korrosionstests nach Kesternich, Salznebel-Sprühtests, schnelle Temperaturwechsel sowie Tests bei feuchter Wärme, korrosiven Gasen, Ozon.

Erschienen in Ausgabe: 02/2011