Kunststoff macht Kabel zum Tausendsassa

Der deutsche Pavillon auf der Expo 2015 in Mailand ist ein Vorbild für das Integrieren von Organischer Photovoltaik in die Gebäudetechnik. Die Solartechnik ist dort ein Teil des architektonischen Konzepts.(Bildquelle: Lapp)

Die Bandbreite an Einsatzszenarien spiegelt die Anforderungen wider, die Kabel erfüllen müssen: vom Kraftwerk produzierte Energie weiterleiten, Steuersignale in einem Pkw-Motor übertragen oder Daten in einem Firmennetzwerk verteilen. Damit sie diese Aufgaben zuverlässig erfüllen, müssen sie Hitze, Kälte, Torsion und mechanischer Beanspruchung widerstehen – häufig in Kombinationen. Entsprechend breit ist die Werkstoff-Palette, die die Adern schützt. Es kommen unter anderem PVC, PUR, TPE, HFFR zum Einsatz. Dass sich mit dieser Vielfalt die Kabelvarianten schnell potenzieren, ist klar. So hat der Kabelhersteller Lapp, Stuttgart, mehr als 40.000 verschiedene Artikel auf Lager. Sonderanfertigungen nicht eingerechnet. Zum Portfolio gehören neben Kabeln auch  Industriesteckverbinder und Verschraubungstechnik, sozusagen die Fortführung der Kabeltechnik also.

Um die Kabel zu fertigen, kommen flexible Extruder mit Lasermessung zum Einsatz, mit denen sich die Kabeldicke und -länge exakt einstellen lässt. Eine Anlage von Extrudex, Mühlacker, beispielsweise schafft eine Genauigkeit von einem zehntausendstel Millimeter. Zudem lässt sich die Anlage schnell umrüsten, etwa von einem einadrigen Erdungskabel mit 7 mm Durchmesser und zwei grünen Streifen auf gelbem Grund auf mehradrige oder dickere Varianten mit individuellen Farbcodierungen. Das Maximum ist bei dieser Anlage eine Dicke von 55 mm.

Der Kabel-Extrusionsprozess

Um ein Kabel mit Kunststoff zu ummanteln, gelangt es zunächst vom Abwickler über den Tänzer in die Schubraupe des Extruders. Diese transportiert es in das Talkumiergerät, wo es für das spätere Ummanteln vorbereitet wird, oder durch das Längsbandiergerät, wo es eine zusätzliche Armierung erhält. Diese ist häufig aus Metall und schirmt das Kabel beispielsweise vor Temperatureinflüssen oder elektrischen Störungen ab. Darauf folgt das Ummanteln der Adern im Extruderkopf. Bis zu 1.000 kg Kunststoff verarbeitet der Hauptextruder dabei pro Stunde. Jedes einzelne Gramm des Basisgranulats und des Masterbatches wiegt, mischt und dosiert der gravimetrische Dosier Graviblend Plus von Motan-Colortronic, Stuttgart. Das sorgt einerseits für stabile Manteldicken und spart andererseits Material, da nur so viel verbraucht wird wie nötig. Anschließend läuft das Kabel mit einer Temperatur von 160 bis 230 °C in ein Wasserbad, um vor dem Aufwickeln abzukühlen. Das ist wichtig, damit die Adern im Inneren nicht an der Ummantelung festbacken oder der Mantel beim Aufwickeln eingedrückt wird, da der Kunststoff noch zu warm und damit formbar ist. Empfindliche Materialien wie TPE werden dabei schrittweise gekühlt.  Vor dem Aufwickeln folgt das Trocknen und gegebenenfalls Bedrucken des fertigen Kabels.

Nicht jedes Kabel ist für die anspruchsvollen Bedingungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie geeignet – das kann gefährlich für die Mitarbeiter werden.(Bildquelle: Lapp)

Besondere Einsatzzwecke: Auf das Mantelmaterial kommt es an

Ein in mehrfacher Hinsicht besonderes Einsatzszenario für Kabel ist eine Käserei: Nimmt man die falschen Kabel, können die Bakterien, die den Käse reifen lassen, den Kunststoff des Kabelmantels angreifen – auch ohne direkten Kontakt, einfach durch Übertragung der Bakterien durch die Luft. Innerhalb weniger Monate wird der Kunststoff dann brüchig und bröselt ab, Kurzschlüsse drohen, eine gefährliche Situation für Mitarbeiter und Kunden.

Mit solchen Herausforderungen ist Lapp Engineering, Cham, Schweiz, des Öfteren konfrontiert. Mehrere Materialwissenschaftler entwickeln dort Materialrezepturen, überwiegend Kunststoffe und Metalllegierungen für das Produktportfolio der Lapp-Gruppe. Parallel sorgt ein Patentanwalt dafür, dass nicht nur die Kabel allen Angriffen ihres Alltags widerstehen, sondern auch das geistige Eigentum wasserdicht geschützt ist. Aber auch andere Firmen können die Dienste des Forschungsunternehmens in Anspruch nehmen. So ließ zum Beispiel ein Kunde ein Compound für Photovoltaikapplikationen in der Sahara entwickeln, das die enormen Temperaturschwankungen in der Wüste aushält.

Allen diesen Kunden, auch der Käserei, konnte geholfen werden: Die Experten von Lapp Engineering entwickelten ein Kunststoffcompound unter anderem für Kabelapplikationen, die robuster gegen Abrieb, hohe oder tiefe Grenztemperaturen, Hydrolyse, oder Bakterienbefall sind. Zudem können diese auch noch andere besondere Eigenschaften besitzen, die die auf dem Markt befindlichen Standardkabel einfach nicht mitbringen. Anfragen aus der Lebensmittelindustrie sind dabei relativ häufig, weil dort die Belastung des Materials durch die häufige Reinigung mit Dampfstrahlern und aggressiven Putzmitteln besonders hoch ist.

Die Kunst der Entwickler besteht dabei darin, eine gewünschte Eigenschaft, wie die Resistenz gegen Bakterien, zu verbessern, ohne dass die anderen Eigenschaften, etwa die Abriebfestigkeit, zu sehr darunter leiden. Die Mixtur eines neuen Kunststoffcompounds erfordert immer kluges Abwägen der Vor- und Nachteile – und Geduld. Das Dosieren und Mischen der Zutaten in einem Kneter und die Weiterverarbeitung der Materialien bis hin zur Fertigstellung des Kabels durch Extrusion lassen sich auch mit den schnellsten Computern nicht hundertprozentig simulieren. Hier sind neben der Erfahrung viele Versuche im Labor und im Technikum nötig, bei denen die Mischungsverhältnisse beziehungsweise die Anteile einzelner Zutaten systematisch variiert und angepasst werden.

Der PUR-Mantel schützt das Kabel vor hoher mechanischer Belastung, mineralölbasierten Schmiermitteln, verdünnten Säuren, wässrigen alkalischen Lösungen und anderen chemischen Medien. Bestimmte Modelle verfügen zusätzlich über eine Hohlraum-füllende Funktionsschicht, welche die Adern beim Einschneiden und Abziehen des Außenmantels schützt.(Bildquelle: Lapp)

Normen als Entwicklungstreiber

Mitunter kommen neue Anforderungen auch von den Standardisierungsbehörden. Während in Europa halogenhaltige Bestandteile im Kabelmaterial oder im Kabel, zum Beispiel bei bestimmten Brandschutzanforderungen, nicht zulässig sind, ist das in den USA erlaubt und üblich. In Kanada wiederum verlangt eine Norm einen zehnfachen Isolationswiderstand bei Kabeln für Photovoltaikleitungen. Viele dieser Anforderungen in der Industrie lassen sich mit Standardkabeln erfüllen. So kommen für Anwendungen im Lebensmittelbereich häufig Mantelmaterialien aus Polyurethan (PUR) zum Einsatz. Dieses Material ist sehr abriebfest. Dadurch ist zum Beispiel auch ein Verlegen auf dem Boden möglich – für manche gängigen Materialien wäre das ein Problem. Aus Tests ist allerdings bekannt, dass PUR zu Hydrolyse neigt, also Wasser aufnimmt, was langfristig zu Kurzschlüssen führen kann. Kabel mit einem PUR-Mantel eignen sich deshalb nur für trockene Räume und sollten keinesfalls in Wasserlachen liegen, außer man schützt sie durch Schutzschläuche, wie Silvyn FG NM von Lapp. Für die Lebensmittelindustrie ist das eine gewisse Einschränkung, die der Kunde kennen muss.

Additive im TPE-Mantel des Kabels sorgen für eine glatte Oberfläche, die sich besser reinigen lässt. Ein Vorteil vor allem für die Lebensmittelindustrie, wo saubere Oberflächen besonders wichtig sind. (Bildquelle: Lapp)

Alternative zu PUR für die Lebensmittelindustrie: TPE

Zwar gibt es auch bei PUR-Kabeln Stellschrauben bei der Materialzusammensetzung, ein vollständig wasserresistenter Mantel ist damit aber nicht möglich. Also haben sich die Materialforscher eine Alternative einfallen lassen: Spezial-TPE. Dieser Kunststoff besteht aus einer thermoplastischen Phase, zum Beispiel Polypropylen (PP), sowie einem Elastomer, zum Beispiel Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Damit erfüllt er die Anforderungen in der Lebensmittelindustrie schon recht gut und ist das ideale Ausgangsmaterial für die weitere Materialoptimierung. Dafür variieren die Wissenschaftler im Technikum in Cham das Mischungsverhältnis der Polymere, außerdem setzen sie Additive zu, die in die Compoundmatrix eingebaut werden. Dazu gehören Verarbeitungshilfen, die eine glatte Oberfläche erzeugen, eine Hilfe für die Lebensmittelindustrie, wo saubere Oberflächen besonders wichtig sind.

Bei der Optimierung ist fundiertes Polymer-Know-how nötig, denn manche Additive wie Farb- und Füllstoffe oder Flammschutz führen beim Einsatz in der Lebensmittelverarbeitung eher zu schlechteren Ergebnissen, etwa bezüglich der Resistenz gegen bestimmte Stoffe. Trifft man das optimale Mischungsverhältnis der Polymere und additiviert diese mit den geeigneten Zusatzstoffen, lassen sich die Eigenschaften von TPE auf den Einsatz in der Lebensmittelindustrie hin gezielt verbessern. Das so erzeugte Spezial-TPE übertrifft PUR oder nicht-optimiertes TPE in vielen Aspekten, insbesondere ist es resistent gegen Bioöle, Fette, Lebensmittelsäuren und Wasser. Dennoch: Ein Kunststoff, der in allen Eigenschaften PUR übertrifft oder zumindest mit ihm gleichzieht, ist auch mit Spezial-TPE nicht zu erreichen. So bleibt das Spezial-TPE von Lapp Engineering bei der Abriebfestigkeit etwas hinter PUR zurück. Dennoch sind Ölflex Robust 200 oder Unitronic Robust, die ersten Kabel aus optimiertem Spezial-TPE im Portfolio des Herstellers, widerstandsfähig genug, um auch auf dem Boden verlegt werden zu können.

Kabel mit solchen Eigenschaften sollen das Planen und Bauen von Produktionsanlagen vereinfachen, die unmittelbar mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Auf spezielle Maßnahmen zum Schutz gegen Hochdruck- oder Dampfreiniger lässt sich dann weitestgehend verzichten. Diese Produkte mit für die Lebensmittelindustrie optimiertem Design und Spezial-Materialien punkten auch bei der Hygiene: Sie widerstehen dem Einfluss von Keimen. Gute Nachrichten also für alle Käsereien: Die Bakterien lassen den Käse reifen, nicht das Kabel und die Verbindungstechnik.

Vom Kraftwerk produzierte Energie weiterleiten, Steuersignale in einem Pkw-Motor übertragen oder Daten in einem Firmennetzwerk verteilen: Damit kabel ihre Aufgaben zuverlässig erfüllen, müssen sie Hitze, Kälte, Torsion und mechanischer Beanspruchung widerstehen – häufig in Kombinationen. Entsprechend breit ist die Werkstoff-Palette, die die Adern schützt. Es kommen unter anderem PVC, PUR, TPE, HFFR zum Einsatz. (Bildquelle: Lapp)

Kabelanschlussboxen: Designfreiheit durch Umspritzen

Eine ebenfalls sehr besondere Anwendung von Kabeln ist die organische Photovoltaik (OPV). Diese bietet Architekten kreative Möglichkeiten, Solarmodule in Gebäude zu integrieren.  Architekten wünschen sich daher Solarmodule, die sich frei gestalten lassen. Das Problem dabei verursachen allerdings nicht die Kabel selbst, sondern die oft klobigen Anschlussboxen, also die Schnittstellen zwischen Kabel und Solarmodul. Sie stören das Design. Lapp entwickelte daher ein neues Verfahren, mit dem sich die Kabelanschlusspunkte mit Kunststoff umspritzen lassen – in freiem Design und dennoch wasserdicht.  Das Ergebnis war auf der Weltausstellung 2015 in Mailand zu sehen: die sogenannten Ideen-Keimlinge, die wie Bäume aus dem deutschen Pavillon wuchsen. Die Blätter der futuristischen Bäume waren Dutzende sechseckige halbtransparente Solarmodule in verschiedenen Größen. Sie spendeten Schatten und versorgten den Pavillon gleichzeitig mit elektrischer Energie. Der Entwurf des Münchener Design- und Architekturunternehmens Schmidhuber lebt von seiner Leichtigkeit und Transparenz. Belectric OPV, Nürnberg, Spezialist für organische Photovoltaik, lieferte die passenden Module. Für den Anschlusspunkt, wo das Kabel an der Folie des Solarmoduls sitzt, suchte das Unternehmen Unterstützung – und fand sie bei Lapp. Der Wunsch der Designer und von Belectric: Die Anschlusspunkte sollten nicht so klobig sein wie üblich, sondern sich in Form und Farbe möglichst frei gestalten lassen. Und natürlich sollte der elektrische Anschluss so geschützt sein, dass ihm Wind und Wetter nichts anhaben können.

Absolut wasserdicht durch Kunststoffumspritzung

„Die Organische Photovoltaik hat großes Potenzial bei Gebäuden“, prophezeit Hermann Issa, Direktor für Business Development bei Belectric OPV. Um dieses Potenzial zu erschließen, bedürfe es allerdings neuer Konzepte zur Integration in bestehende Gebäude, fordert Issa. Der deutsche Pavillon auf der Expo in Mailand ist dafür Vorbild. Die Solartechnik ist dort kein notwendiges Übel, sondern Teil des architektonischen Konzepts. „Lapp hat das als Chance erkannt“, lobt Issa.

Gleich zwei Anforderungen hatten die Solar-Blätter zu erfüllen: Die Anschlusspunkte sollten einerseits filigran und unauffällig sein, damit der Eindruck des Kabels als Blattstiel möglichst wenig gestört wird. Andererseits muss der Anschlusspunkt absolut dicht sein, damit auch auf Dauer keine Feuchtigkeit eindringt. Direkter Regen ist dabei nicht das Hauptproblem, kritisch ist vielmehr der Kapillareffekt, der Nässe in enge Spalten zieht. Dort richtet die Feuchte langfristig Schäden durch Korrosion an – der häufigste Grund für Modulausfälle. Zwischen Solarfolie und Kunststoffabdeckung darf deshalb auch nicht die geringste Lücke sein.

Spritzen statt kleben

Üblicherweise wird die Kunststoffabdichtung des Anschlusspunktes separat gefertigt und dann auf das Solarmodul geklebt. Doch dabei kann man nie sicher sein, dass sich nicht irgendwann doch ein Spalt bildet. Die Lösung von Lapp schließt das aus. Dort wird der heiße Kunststoff in flüssigem Zustand direkt auf den Anschlusspunkt gespritzt, wo er sich dauerhaft und ohne Lücken mit der Trägerfolie verbindet. Angenehmer Nebeneffekt: Der Kunststoff, der den Kontakt schützt, dient gleichzeitig als Zugentlastung für das Kabel.

Der Kontakt und der Schutz werden in mehreren Schritten aufgebracht:

• Das Kabel wird auf die Leiterbahn gelötet und durch ein kleines Loch in der Trägerfolie geführt.
• Ein Werkzeug in der gewünschten Form umschließt den Kontakt, der heiße Kunststoff wird eingespritzt.
• Nach einer Abkühlphase wird das Werkzeug geöffnet – fertig.

Klingt einfach, ist aber im Detail kompliziert und erfordert viel Know-how bei Materialien und Spritzgussprozess. Beispielsweise muss die Solarfolie an der Stelle, wo sie mit dem heißen Kunststoff verbunden wird, vorbehandelt werden. Wie das geschieht, ist entscheidend für den Prozess – „und deshalb halten wir das geheim“, so Stefan Koch, Produktmanager bei Lapp.

Elektronenstrahl-vernetztes Thermoplast

Die Lösung von Lapp integriert das Anbringen des Anschlusspunktes in den Fertigungsprozess des Solarmoduls, und dies kann direkt beim Hersteller der Solarmodule erfolgen. Weil keine separaten Anschlussdosen oder -elemente bestellt, produziert und gelagert werden müssen, entfallen mehrere Produktionsschritte sowie die Zwischenlagerung der Komponenten. Das verschlankt den Herstellungsprozess.

Der Qualitätsanspruch der beiden Unternehmen endet nicht hinter dem Kontakt. Wenn Lapp mit von der Partie ist, ist das Kabel immer Teil einer optimalen Lösung. Das Kabel muss sich ebenso wie die Solarfolie mit dem flüssigen Kunststoff verbinden und selbst natürlich dicht sein – und zwar länger als 20 Jahre, denn so lange halten gute Solarmodule. Kabel mit PVC-Mantel sind dafür nicht geeignet, sie würden im UV-Licht der Sonne irgendwann brüchig werden. Bei der Lösung für Belectric setzt Lapp beim Kabelmantel deshalb auf ein Thermoplast. Beim Erhitzen wird der Kunststoff weich, beim Erkalten verhaken sich die langen Molekülketten, was die Widerstandsfähigkeit erhöht. Für eine optimale Beständigkeit gegen Regen, ultraviolettes Licht und Hitze nutzt das Unternehmen hier ein Elektronenstrahl-vernetztes Thermoplast. „Die Bestrahlung macht gewissermaßen einen Knoten in die Molekülketten“, erläutert Koch, „einen Knoten, der nicht mehr aufgeht.“

Bloß keine Standardkabel

Für die Solar-Blätter verwendet Lapp keine Standard-Photovoltaikkabel. Die sind für große Module gedacht und wären mit Querschnitten von bis zu 6 mm² überdimensioniert. Um dem Eindruck eines Blattes mit Stiel nahe zu kommen, wählten die Ingenieure einen Querschnitt von 0,75 mm², der Mantel ist silbergrau und fügt sich optisch in das Drahtgeflecht, das die OPV-Module hält, ein. Die Anschlusspunkte sind 20 mm breit, 15 mm lang und 5 mm hoch und damit sehr dezent, aber nicht unsichtbar. Müssen sie auch nicht sein, „denn der Anschlusspunkt ist nun ein Designelement, dessen Farbe und Form der Architekt weitgehend frei bestimmen kann“, so Issa.

Die Ideen-Bäume für den deutschen Pavillon in Mailand waren das erste Projekt, bei dem das Lapp-Verfahren zum Einsatz kam – aber nicht das letzte. In der äthiopischen Hauptstadt Addis Abeba hat Belectric OPV gemeinsam mit Lapp sein bisher größtes Projekt realisiert: ein 25 mal 20 m großes Sonnensegel, das sich über den Innenraum des neuen Gebäudes der Afrikanischen Union spannt. 445 blau-transparente organische Solarmodule sind in ein Stahlseiltragwerk eingehängt und bilden die Form des afrikanischen Kontinents.