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Fertigung M12-Steckverbinder neu durchdacht

| Autor / Redakteur: Albert Birkicht und Dirk Peter Post* / Kristin Rinortner

Der M12 hat sich vom Sensorstecker zum Datensteckverbinder gewandelt. Ein neuer Fertigungsansatz auf Basis der 3-D-MID-Technik ermöglicht jetzt einen voll automatisierten Fertigungsprozess.

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M12-Steckverbinder: Mit dem MID-Verfahren komplett automatisiert gefertigte M12-Steckverbinder der Reihe har-speed
M12-Steckverbinder: Mit dem MID-Verfahren komplett automatisiert gefertigte M12-Steckverbinder der Reihe har-speed
(Bild: Harting)

Zur Beschleunigung der Datenkommunikation bei immer größeren Datenmengen rücken die Netzapplikationen verstärkt in den Fokus: Kabel, Netz, Steckverbinder. Alles soll einfach konstruiert sein und immer leistungsfähiger werden. Die Harting Technologiegruppe hat deshalb den M12-Rundsteckverbinder radikal neu durchdacht.

Das Ziel: Ein vereinfachter Produktionsprozess und eine vollständig automatisierte Herstellung des Steckverbinders. Dabei sollen zugleich die Kosten gesenkt werden, ohne die Leistungsfähigkeit und das heißt vor allem die Übertragungsraten des M12-Steckverbinders negativ zu beeinflussen.

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Dahinter steckt eine umfassende, für Unternehmens- und Produktionsprozesse revolutionäre Idee, die durch die Übertragung von Erfahrungen und Technologien aus der Büro IT in die Industrie möglich wird. Verbunden ist dies mit dem Schlagwort Ethernet. Die Verbreitung des Ethernets in der Industrie hat jedoch die Anforderungen an die Kommunikations- und Datennetze weiter verschärft. Außerdem muss die Durchgängigkeit der unterschiedlichen Unternehmensbereiche immer weiter erhöht werden. Insellösungen werden auf wenige, sachlich gebotene Lösungen reduziert.

Diese Ideen sind nur mit einer intelligenten Ethernetstruktur zu realisieren – und mit Applikationen und Lösungen, die die technisch notwendigen Leistungen zur Verfügung stellen. 10 GBit Ethernet ist nur machbar, wenn nicht nur die datenverarbeitenden Elemente, sondern auch die gesamte Infrastruktur auf die schnell anwachsenden Datenmengen und Verarbeitungsgeschwindigkeiten ausgerichtet ist. Damit geraten Netzarchitektur, Kabel und Steckverbinder ebenso in den Blick wie die Produktionsprozesse der im Netz eingesetzten Komponenten.

M12-Steckverbinder – Stand der Technik

M12-Rundsteckverbinder haben sich mittlerweile in Ethernet-Anwendungen, aber auch im Infotainment und anderen Bereichen durchgesetzt, in denen eine sichere Datenübertragung im 10-GBit-Spektrum gewährleistet werden muss. Die einfache Handhabung, mit der eine Fehlsteckung vermieden werden kann, aber auch die freie Belegbarkeit der Kontakte sprechen für den M12-Rundsteckverbinder.

Da zudem die Intelligenz des Systems mehr und mehr dezentralisiert, das heißt in die Peripherie der Geräte, Aktoren und Sensoren verlegt wird, ist auch der M12-Rundsteckverbinder mitgewandert; seine Einsatzbereiche wurden erweitert.

Aus einem Sensorstecker wurde ein leistungsfähiger Daten-Universalsteckverbinder, der auch im Feld eingesetzt werden kann, da er hoch wirksam gekapselt ist.

Allerdings basiert die Produktion des M12-Rundsteckverbinders immer noch zu Teilen auf Handarbeit. Das geht zurück auf das Problem, dass die einzelnen Anschlüsse im M12-Steckverbinder voneinander gekapselt werden müssen, um die störungsfreie Übertragung von Daten zu sichern. Mit Einführung von 10 GBit tauglichen Verkabelungssystemen hat sich dieses Problem weiter verschärft.

Die unerwünschte gegenseitige elektrische Beeinflussung von Datenströmen hat dabei mehrere Dimensionen: die elektromagnetischen Einflüsse eines Informationskanals auf seine Umwelt (Störaussendung und Störeinstrahlung) und die elektromagnetische Beeinflussung von parallel nebeneinander liegenden Kabelstrecken (was auch als Alien Crosstalk (ACT) bekannt geworden ist; ein Phänomen, das auf ungenügende oder fehlende Schirmung zurückzuführen ist).

Um eine ausreichende Schirmung zu gewährleisten werden M12-Steckverbinder in der konventionellen Bauart mit einem Schirmkreuz versehen, das aus Metall besteht. Das Schirmkreuz wird in einer Vorrichtung eingebaut. Das bedeutet, dass die ansonsten weitgehend maschinelle Produktion des M12-Rundsteckverbinders für einen spezifischen Teilprozess unterbrochen und durch Handarbeit ersetzt werden muss.

Das jedoch bremst den Produktionsprozess sehr stark, führt zu Qualitätsmängeln und hohen Kosten. Mit anderen Worten, durch die Neukonzeption des Produktionsprozesses des M12-Steckverbinders lassen sich Kosten senken und Qualität erhöhen.

Neuansatz in der M12-Fertigung durch MID

Kernüberlegung der Ingenieure war bei diesem Konzept, das im Haus vorhandene MID-Produktions-Knowhow zu nutzen. Das Unternehmen setzt seit Jahren 3-D-MID (Molded Interconnect Device) als Verfahren ein, um Steckverbinder oder Systemlösungen schnell und in einem unterbrechungsfreien vollautomatisierten Vorgang zu produzieren.

MID hat sich in allen Industrien genau dort durchgesetzt, wo funktionale Systeme auf kleinstem Raum realisiert werden müssen, der Integrationsgrad also deutlich erhöht werden muss. Das Verfahren eröffnet Entwicklern neue Gestaltungsmöglichkeiten, weil hier elektrische Leiterbahnen auf einen Spritzguss-Kunststoffträger aufgetragen werden. Dadurch entstehen Komponenten, die elektrische und mechanische Funktionen in einem Bauteil verbinden. Bausteine können daher weiter verkleinert werden, da sie nicht getrennt verarbeitet werden müssen.

Außerdem bietet das MID-Verfahren weitere Vorteile und Kostensenkungspotentiale, weil der Produktionsprozess durchgängig strukturiert ist. Hinzu kommen positive Effekte wie die umweltfreundliche Entsorgung der Komponenten nach Abschluss des Lebenszyklus, da statt der problematischen Duroplast-Leiterplatten umweltfreundliche Thermoplasten verwendet werden.

Es werden zwei 3-D-MID Verfahren beim Unternehmen eingesetzt, der LDS-Prozess (Laser-Direkt-Strukturierung) und den 2-Komponenten-Spritzguss (2K-Verfahren). Für die Neukonzeption der Produktion des M12-Rundsteckverbinders wurde der 2-Komponenten-Spritzguss verwendet.

Beim 2K-Verfahren wird die Schirmung durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Kunststoffe (LCP, Fa. Vectra) direkt während des Spritzgusses erzeugt. Einer der Werkstoffe enthält Additive, durch die der Kunststoff metallisierbar wird.

In einem zweiten Schritt wird ein Metallschichtverbund Kupfer-Nickel-Gold mit einer Gesamtschichtdicke von ca. 21 µm und damit die Schirmung chemisch aufgebracht. Die Metallisierung erfolgt dabei durch einen stromlosen Beschichtungsprozess: Der mit Additiven aktivierte Kunststoff wird durch Chemikalien-Bäder geführt, in denen die metallische Oberfläche stromlos auf dem Kunststoff abgeschieden wird.

Die Komponenten des Steckverbinders werden anschließend vollautomatisch konfektioniert. Die bislang notwendige Handarbeit entfällt vollständig.

Der Prozess ermöglicht hohe Stückzahlen ohne Zwischenschritte, in denen menschliche Arbeit notwendig wird, deren Anforderungsprofil zudem nicht besonders ausgeprägt ist. Damit lassen sich die Produktionskosten senken und die Stückzahlen erhöhen. Zugleich können Mitarbeiter bei qualitativ höherwertigen Prozessen eingesetzt werden.

Allerdings führen die Änderungen in der Konstruktion des Steckverbinders dazu, dass die Produktionswerkzeuge neu angelegt werden müssen.

Der 3-D-MID M12-Rundsteckverbinder stellt einen neuen Ansatz dar. Die Effekte, die sich im Produktionsprozess und beim Produkt erkennen lassen, sind enorm: Kosten- und Gewichtreduktion stehen dabei deutlichen Qualitätssprüngen gegenüber.

Der M12-Rundsteckverbinder im 3-D-MID Verfahren

Die Gewichtsreduktion beträgt 30%. Sämtliche Metallteile wurden ersetzt, an die Stelle des Schirmkreuzes tritt eine metallisierte Kunststoffoberfläche, deren Schirmeigenschaften denen des Schirmkreuzes entspricht. Die Zahl der verwendeten Komponenten wurde gesenkt. Der Produktionsprozess wurde zeitlich gestrafft und zudem die Ausgangsqualität erhöht.

Der Steckverbinder ist ausgelegt für 10-GBit-Ethernet-Übertragungen und damit für die Übertragungsklasse EA in der Übertragungskategorie Kat.-6A. Damit sind auch künftige Anforderungen, die aufgrund der raschen Entwicklungssprünge zu erwarten sind, weitgehend abgedeckt.

Der Einsatz im Außenbereich wurde durch die Kapselung nach Schutzgrad IP65/67 gesichert. Damit werden die Einsatzbereiche des M12 auch auf Außenbereiche mit rauen Umweltbedingungen erweitert.

Aufgrund der Dezentralisierung der Leit- und Übertragungstechnik wird immer mehr Intelligenz in die Peripherie verlegt. Außengeräte müssen daher auch an das schnelle Ethernet angeschlossen werden, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Die Verbindungstechnik – und hier nicht zuletzt der M12 – ist dem gefolgt. Die Steckverbinder sind ohne Spezialwerkzeug und -ausbildung feldkonfektionierbar, d.h. extrem flexibel einsetzbar. Sie sind zudem service- und wartungsfreundlich. Dabei ist die Konstruktion so angelegt, dass die Montage fehlervermeidend bzw. ohne großen Aufwand korrigierbar ist.

Den Anforderungen im Außenbereich entspricht auch der Temperaturbereich, der von –40 bis 70 °C reicht. Auch extreme Temperaturschwankungen beeinflussen die Leistungsfähigkeit des Steckverbinders nicht. Damit sind klimatische Zonen ebenso abgedeckt wie der Einsatz unter extremen Produktionsbedingungen. Der Stecker hält Stoß- und Vibrationsbelastungen stand.

* Albert Birkicht ist Managing Director bei Harting in Biel/Schweiz.

* Dirk Peter Post arbeitet als Global Product Manager Device Connectivity bei Harting in Espelkamp.

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