Wie sehen die Schnittstellen für Industrie 4.0 aus?

| Autor / Redakteur: Fabian Seymer, Bernhard Säckl und Jürgen Heigl* / Kristin Rinortner

Schnittstellen für Industrie 4.0: Künftig wird es zu marginalen Veränderungen bei Kontakten und Steckverbindern geben.
Schnittstellen für Industrie 4.0: Künftig wird es zu marginalen Veränderungen bei Kontakten und Steckverbindern geben. (Bild: ODU)

Die Entwicklung von Schnittstellen für Industrie 4.0 hat gerade erst begonnen. Künftig wird es zu vielen Veränderungen bei Kontakten und Steckverbindern kommen. Wir zeigen die Herausforderungen.

Industrie 4.0 und IIoT (Industrial Internet of Things) stoßen viele Veränderungen und Innovationen in der heutigen Übertragungsinfrastruktur an. Neben einer höheren Automatisierung ist die Fertigung von Morgen durch eine deutlich stärkere Dynamik gekennzeichnet. Notwendig hierfür ist eine deutlich ausgeweitete Vernetzung aller Arbeits-, Informations- und Logistikprozesse in Unternehmen. In der Konsequenz bedeutet dies einen entsprechenden Ausbau intelligenter Automatisierungstechnik und der dazugehörigen Infrastruktur. Einen wesentlichen Anteil zu Letzterer haben Hardware-Schnittstellen sowie die zugehörigen Steckverbinder, Anschluss- und Verbindungsleitungen etc., deren Anforderungsprofil dadurch deutlich steigt.

Was das konkret heißt, lässt sich am Beispiel von Robotereinheiten verdeutlichen. In den meisten Fällen sind solche Roboter mit bedarfsgerecht automatisierten Werkzeugwechselsystemen ausgestattet, die es ermöglichen, unterschiedliche Operationen wie Handling, Montage oder ähnliches durchzuführen.

So wird angestrebt, die bereits vorhandene Flexibilität dieser Systeme insofern zu erweitern, dass mit kurzfristigen Kapazitätsanpassungen in einer Fertigung eine schnelle Verlegbarkeit angestrebt wird. Ein Beispiel hierfür könnte eine Verlagerung eines Roboters mit Handling-Aufgaben aus der Fördertechnik in einen Montagebereich mit Unterkapazität sein.

Hieraus ergeben sich verschiedene Anforderungen an ein derartiges System. So müsste ein solcher Industrieroboter in der Lage sein, sich sowohl variierenden Fertigungs- und Umgebungsbedingungen als auch unterschiedlichen Eigenschaften des zu bearbeitenden Produktes anzupassen. Dazu muss die Sensorik erheblich ausgeweitet werden, auch um eine effektive Kommunikation mit vor- und nachgelagerten Produktionseinheiten – etwa der Fördertechnik, Nachschubversorgung oder Rohmaterialbereitstellung – und dem Endprodukt zu garantieren. Darüber hinaus ist eine schnelle und effektive Inbetriebnahme unabdingbar.

Der beschriebene Umstand, dass Produktionseinrichtungen in der Industrie 4.0 entsprechend des Bedarfs flexibel ein- und umsetzbar sein sollen, bedingt die Integration wesentlicher Neuerungen in Steckverbinder sowie die Übertragungsinfrastruktur. Dazu sind eine weitere Miniaturisierung, erhöhte Zuverlässigkeit und ein effizienter Einsatz dieser Komponenten notwendig. Das birgt erhebliche Herausforderungen.

Multifunktionsschnittstellen reduzieren Raum und Gewicht

Die Forderung nach flexibel und mobil umsetzbaren Maschinen, Geräten und Anlagen bedingt eine Reduktion ihres Gewichts und ihrer Baugröße sowie deren Schnittstellen und angeschlossen Verbindungsleitungen. Ein Ansatzpunkt sind gewichtsreduzierte Materialien wie Kunststoffe oder beschichtete Leichtmetalle, die schon heute erhebliche Optimierungen in punkto Transport-
masse ermöglichen. Eine weitere Option bietet der Einsatz von multifunktionellen Schnittstellen, die verschiedene Übertragungsaufgaben in einer einzigen Schnittstelle ermöglichen, beispielsweise Daten, digitale Signale, elektrische Leistung und Fluide sowie vieles mehr.

Hierdurch lassen sich sowohl der Bauraumbedarf als auch das Gewicht reduzieren. Derzeit ermöglicht der kombinierte Einsatz neuartiger Spritzverfahren, -geometrien und -werkstoffe auf Kunststoffbasis sowie innovativer Schirmkonzepte die Realisierung solcher Schnittstellen in rechteckiger und runder Bauform.

Mit speziell designten Isolierkörpern und Kontakten lassen sich bereits jetzt ex­treme Signaldichten realisieren. So sind für Rundsteckverbinder aktuell Poldichten von mehr als einem Kontakt pro mm² umsetzbar. Für Rechtecksteckverbinder hingegen können auf minimalem Raum nicht nur mehr als 500 Signale in einer Schnittstelle, sondern auch hohe elektrische Leistungen (Betriebsspannungen über 6 kV bzw. Dauerströme über 200 A) übertragen werden. Die aktuellen Entwicklungen zeigen, dass insbesondere die Poldichte von Steckverbindern noch zunehmen wird.

Höhere Zuverlässigkeit und Dauerbelastbarkeit notwendig

Auch bei der Zuverlässigkeit und Dauerbelastbarkeit von Steckverbindern und ihren Komponenten gibt es erhebliche Zusatzanforderungen. Einerseits wird dies verursacht durch potenziell wechselnde Umgebungsbedingungen mit verschiedenen mechanischen, thermischen, chemischen oder EMV Beanspruchungen. Andererseits stellt die erhöhte Anzahl notwendiger Steck- und Ziehvorgänge an sich eine hohe mechanische Belastung für Steckverbinder und ihre Bestandteile dar.

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Ersteren erfordert hoch performante Basismaterialien wie Edelstahl, glasfaserverstärkte Kunststoffe oder legierte Leichtmetalle – kombiniert mit entsprechenden Hochleistungsbeschichtungen etwa aus Chrom- oder Ruthenium-Verbindungen. Zudem können schon heute sowohl hermetisch dichte als auch IP68 geschützte Schnittstellen ungesteckt realisiert werden. Möglich wird dies durch Vergusstechniken und -materialien wie Glas. Um den mechanischen Beanspruchungen von mehr als 10.000 Steckzyklen standhalten zu können, sind spezifische Kontaktgeometrien und -oberflächen sowie im Steckverbinder integrierte Führungseinrichtungen notwendig. Insbesondere die gezielte Steuerung von Kontaktdruck und kontaktspezifischen Kenngrößen sind hierbei entscheidend. Das bestätigen auch aktuelle Forschungsergebnisse.

Von konstruktiver Seite sind die Lamellen- sowie Drahtfeder-Technologie sehr geeignet. Darüber hinaus ermöglichen moderne tribologische Systeme schon heute mehr als eine Million Steckzyklen.

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Effizientes Stecken und Ziehen sind in der Praxis Pflicht

Grundlegende Voraussetzung für die Realisierung der genannten Forderungen im Rahmen von Industrie 4.0 ist die praktische und ökonomische Sinnhaftigkeit eines solchen Systems. In diesem Kontext ist neben dem Aufwand für die Installation eines Steckverbinders auch die Effizienz des Steck- und Ziehvorganges ausschlaggebend.

Ersteres wird wesentlich beeinflusst von der verwendeten Anschlusstechnik. Hier bieten automatisierbare Print-Anschlusskonzepte eine entsprechende Möglichkeit zur Optimierung von Installationszeiten. Bei der Verbindungstechnik haben sich einige Schnellverbindungstechniken als geeignete Optimierungsmaßnahme erwiesen. So gestattet es die Push-Pull-Verriegelung, Verbindungen in weniger als einer Sekunde herzustellen oder zu lösen und gleichzeitig gegen unbeabsichtigtes Entstecken zu sichern. Dock-Verbindungen ermöglichen ein vollständig automatisiertes Stecken und Lösen von Verbindungen.

* Fabian Seymer ist Leiter Produktmanagement Rundsteckverbinder, Bernhard Säckl ist Leiter Produktmanagement Rechtecksteck­verbinder und Jürgen Heigl ist Leiter Produktmanagement Elektrische Kontakte bei ODU in Mühldorf.

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