Kabelkonfektionierung für die Medizintechnik

Konnektivitätslösungen für industrielle Anwendungen, wie beispielsweise die Produktion von Medizintechnischen Geräten, müssen robust und leicht zu reinigen sein und industriellen Schutzklassen entsprechen. In einigen Fällen ist auch notwendig, dass sie resistent gegenüber aggressiven medizinischen Reinigungsmitteln sind. Dabei spielt auch die passende Kabelkonfektionierung eine entscheidende Rolle. Kabelkonfektionslösungen sind das Bindeglied zwischen Steckverbinder und Kabel, das zuverlässige Signal- und Stromverbindungen zwischen Geräten sicherstellt. Entsprechend müssen sie eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Der Leiter muss die benötigte Strombelastbarkeit aufweisen und der Umgebungstemperatur standhalten. Wichtig sind auch die richtige Abschirmungsart, das passende Isolationsmaterial sowie der ideale Litzenaufbau.

Umgebungsbedingungen, Flexibilität, Gewichtsreduzierung, elektromagnetische Abschirmung und viele weitere Faktoren müssen dabei für die optimale Konfektionierungslösung der jeweiligen Anwendung berücksichtigt werden. Darüber hinaus spielen die Größe der Lösung, das Material und die Konfiguration der Leiter, die Form des Steckverbinders, die Kabelkonfiguration einschließlich des Mantelmaterials und die Festigkeitselemente eine Rolle. Auch die Entscheidung, ob aktive elektronische Komponenten in die Baugruppe integriert werden sollen oder lieber eine Draht-zu-Draht-Verbindung gewählt werden sollte, muss getroffen werden. Nur wenn alle Komponenten optimal auf die Anwendung abgestimmt sind, ist eine zuverlässige Datenübertragung garantiert. Dabei ist große Sorgfalt geboten, denn neben der mangelhaften Funktionalität besteht die Gefahr, dass die Lösung „überdesigned“ und damit unnötig teuer und technisch überdimensioniert wird. Ein besonderes Augenmerk muss auf die Schutzart gelegt werden. Denn wenn der Steckverbinder gegenüber äußeren Einflüssen wie Flüssigkeiten oder Staub resistent ist, ist dies nur die halbe Miete – die gleiche Schutzart muss auch für den Kabelanschluss gelten. Besonders in der Pharma-Produktion und der Medizintechnik müssen die Materialien darüber hinaus auch meist aggressiven Reinigungsmitteln standhalten.

Zuallererst sollte die optimale Größe des Leiters bestimmt werden. Dabei sind die elektrischen Anforderungen der entscheidende Faktor. Die Wahl des Leiterquerschnitts hängt zum einen von der Stromlast ab, die für die jeweilige Anwendung erforderlich ist. Zum anderen muss auch die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Ist der Leiter zu dünn, hält er nicht den Temperaturen stand, die beim Leiten von Strom entstehen oder von außen auf die Kabel wirken, etwa durch die Abwärme von Maschinen. Ist der Leiter hingegen zu dick, entstehen unnötig Kosten.

Dabei muss auch berücksichtigt werden, wie viele Leiter im Kabel benötigt werden. Während klassische Ethernet-Verbindungen bis zu acht Leiter benötigen, um High-Speed-Datenübertragung zu gewährleisten, sind es bei Single-Pair Ethernet Systemen lediglich zwei Litzen. Mithilfe mathematischer Berechnung lässt sich der ideale Leiterquerschnitt bestimmen. Die Formel berücksichtigt die Anzahl der Drähte anhand eines festen Faktors, die Außentemperatur sowie die zu erwartende Maximaltemperatur beim Leiten. Wird der Querschnitt zu gering gewählt, drohen Komplikationen im Betrieb, ist er zu groß, entstehen unnötige Kosten durch „Überdesign“.

Auch das Material des Leiters muss sorgsam gewählt werden. Im Normalfall besteht dieser aus Kupfer. Es gibt allerdings eine Vielzahl an verschiedenen Kupferlegierungen, die eine höhere Härte, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen aufweisen. Allerdings muss man dabei einen kleinen Verlust an elektrischer Leitfähigkeit hinnehmen. Diese Legierungen eignen sich besonders für Anwendungen mit kleinen Querschnitten, da sie mehr Stabilität bieten als herkömmliches Kupfer. In manchen Fällen kommt auch eine Beschichtung in Frage. Wenn die Baugruppe in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt wird, oxidiert Kupfer schnell. Zinn-, Silber- und Nickelbeschichtungen können die Oxidation von Kupfer besonders wirksam verhindern, zudem verbessern sie die Lötbarkeit und stabilisieren den Anschluss der Leiter. Bei Anwendungen in Hochtemperaturumgebungen ist eine Versilberung oder Vernickelung die beste Wahl zum Schutz der Leiter. Dadurch lassen sich die Lebensdauer erheblich verlängern und Ausfälle vermeiden.

Isolation

Weiterhin wichtig bei der Kabelkonfektionierung ist die richtige Isolation. Für den Einsatz im medizinischen Umfeld müssen Steckverbinder medizinischen Reinigungsmitteln widerstehen. Diese sind meist ziemlich aggressiv und können Beschichtungen, die dem nicht gewachsen sind, angreifen. Da dadurch die Steckbarkeit, die Signalqualität und damit auch die Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigt werden können, ist eine spezielle Beschichtung notwendig. Besonders gut geeignet sind Steckverbinder aus Messing mit einer chromierten Oberfläche. Tests zeigten, dass diese Beschichtungen bis zu 1.000 Reinigungszyklen standhalten, ohne dass die Oberfläche verändert oder beschädigt wird.

Dies reicht allerdings nicht aus, wenn nicht auch das Kabel an sich resistent ist. Hierbei spielt das Isolationsmaterial eine entscheidende Rolle. Es gibt dabei eine Vielzahl an Materialien, die eingesetzt werden können, jedoch sind nicht alle für den Einsatz im Pharma- und Medizintechnikbereich geeignet. Prinzipiell lassen sich die gängigsten Materialien in zwei Gruppen einteilen: Kunststoffe und Thermoplasten. Aus der Gruppe der Thermoplaste ist PVC am gängigsten für die Kabelisolierung, da es in vielen verschiedenen Varianten verfügbar und relativ preisgünstig ist. PVC ist allerdings nicht die beste Wahl, wenn es zu hohen Temperaturen kommt oder eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung gefragt ist.

Deutlich besser für den medizinischen Bereich geeignet sind Isolationen aus Ethylenpropylen, kurz EPR. Dieses Material aus der Gruppe der Kunststoffe verfügt nicht nur über eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Mitteln wie beispielsweise medizinischen Reinigungsmitteln, sondern hält auch problemlos Temperaturen bis 90 °C stand. Diese Kombination ist ideal für den Einsatz in der Produktion von medizinischen Komponenten oder pharmazeutischen Mitteln.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Kabelkonfektionierung ist die richtige Abschirmungsart. Die Abschirmung ist eine leitende Barriere, die die isolierten Drähte innerhalb eines Kabels umgibt. Sie verhindert das Rauschen, das von anderen Kabeln oder elektronischen Geräten in der Nähe oder von benachbarten Drähten innerhalb eines Kabels ausgeht, und sichert so eine unterbrechungsfreie Signalübertragung.

Auch verhindert die Abschirmung, dass elektromagnetische Störungen (EMI) aus dem Kabel herausstrahlen. Eine gute Gesamtschirm-wirkung eines Kabels ist nur dann gegeben, wenn die Abschirmung an beiden Enden des Kabels ordnungsgemäß an den Steckverbinder angeschlossen ist. Dafür gibt es verschiedene Lösungen wie spezielle Folien oder Geflechte. Besonders effizient ist eine Kombination aus Geflecht und Folie. Sie kombiniert die hohe Abschirmwirkung des Folienschirms mit der Langlebigkeit des Geflechts. Dadurch wird die erforderliche Abschirmwirkung mit langer Lebensdauer sichergestellt.

Da die Gefahr eines Leiterbruches durch Biegung bei Litzenleitungen wesentlich geringer ist als bei Massivdrahtleitern mit gleichem Querschnitt, werden diese vorrangig dort angewendet, wo eine häufige Bewegung oder Rüttelbeanspruchung stattfindet, beispielsweise bei Maschinen und Robotern. Je nach erforderlicher Flexibilität und Beanspruchungsgrad verwendet man fein- oder feinstdrähtige Litzenleitungen. Dabei gibt es verschiedene Arten von Litzen, die unterschiedliche Vorteile haben. Besonders häufig wird die Bündellitze eingesetzt, da sie beim Kabeldesign optimale Flexibilität bietet. Hierbei handelt es sich um eine beliebige Anzahl von Litzen in einem zufälligen Muster. Dabei haben alle Litzen die gleiche Schlagrichtung und die gleiche Schlaglänge. Ähnlich aufgebaut sind sogenannte konzentrische Litzen oder Unilay-Leiter. Dabei handelt es sich um einen zentralen Draht, umgeben von einer oder mehreren Lagen schraubenförmig verlegter Drähte in einem geometrischen Muster, mit gleicher Schlagrichtung und gleicher Schlaglänge. Die Litzen haben in der Regel einen größeren Durchmesser. Unilay-Leiter sind die zweithäufigste Variante nach den Bündeln, da sie eine ähnlich hohe Flexibilität bei etwas niedrigeren Kosten bieten. Auch hier muss passend zur Anwendung entschieden werden, ob und wenn ja welche Art von Litze gewählt werden soll.

Herausforderung Kabelkonfektionierung

Kabel ist nicht gleich Kabel. Je nach Anwendungsgebiet müssen Ingenieure eine Vielzahl an Entscheidungen treffen, um die optimale Lösung zu finden. Welches Material kommt für die Leitung in Frage: Kupfer oder Kupferlegierung? Wird eine Beschichtung benötigt? Welchen Durchmesser müssen die Drähte aufweisen? Welches ist die optimale Abschirmungsart und welches Isolationsmaterial eignet sich am besten? Litze ja/nein, und wenn ja, welche? All diese Entscheidungen stehen im Dienste eines reibungslosen Betriebs. Einige Steckverbinderhersteller wie Fischer Connectors bieten deshalb Steckverbinder und Kabelkonfektionierung aus einer Hand an. Dadurch können sich Anwender auf das Wesentliche konzentrieren und müssen sich keine Gedanken über die Funktionalität machen. Dies spart Personalstunden, Nerven und auch Geld, da die Gefahr des „Überdesigns“ gebannt wird.