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Bild: Pleio, iStock
Lichtwellenleiter

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Leicht, dünn und flexibel

Text: Jürgen Beck, Lapp
Optische Datenübertragungskabel mit Glas- oder Kunststofffasern, auch Lichtwellenleiter genannt, erlauben hohe Datenübertragungsraten. Das wird in Zeiten von Industrie 4.0 auch in Fabriken immer wichtiger. Was viele nicht wissen: Lichtwellenleiter können ebenso belastbar sein wie Kupferkabel – wenn man für die gewünschte Anwendung das passende Kabel nimmt.

Ihnen verdanken wir es, dass der anschwellende Datenverkehr das Internet nicht zum Kollabieren bringt: Glasfaserkabel übertragen hohe Datenmengen; Kabel, die rund 250 Terabit pro Sekunde übertragen können, sind in der Erprobung. Glasfasern werden nur von einer Handvoll Hersteller weltweit produziert. Zwischen 40 Cent und vier Euro kostet der Meter und damit immer noch ein Vielfaches eines Kupferdrahts – das schreckt manche Anwender ab. Allerdings ist der Glasfaser-Preis stabil und kalkulierbar, im Gegensatz zu Kupfer, wo der Endpreis des Kabels an den Tagespreis des Rohstoffs gekoppelt ist. Und durch die hohen möglichen Übertragungsraten relativieren sich die Kosten oft. Vieles spricht daher für Lichtwellenleiter auch in industriellen Anwendungen, weshalb sie immer häufiger als Alternative zur Datenleitung aus Kupfer zum Einsatz kommen.

Lichtwellenleiter

Obwohl das Prinzip der optischen Datenübertragung schon lange bekannt ist und seit vielen Jahren bereits unterschiedliche Fasertypen im Einsatz sind, gibt es weiterhin eine stetige Verbesserung der Übertragungseigenschaften. Aktuell kommen vor allem die folgenden drei LWL-Fasertypen in der Industrie zum Einsatz:

  • Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF - Polymer Optische Faser), mit Kern- und Manteldurchmessern von 980 und 1000 µm und einem Durchmesser als verwendbare Ader einschließlich Schutzmantel von 2,2 mm

  • Kunststoffummantelte Glasfaser (PCF – plastic cladded fibre) mit einem optischen Kern aus Glas und einem Kunststoffmantel. Hier beträgt der Aderdurchmesser 500 µm.

  • Glasfaser (GOF Glasoptische Faser) mit einem Kern und Mantel aus Glas und einem Faserdurchmesser von 125 µm und einem Aderdurchmesser mit erstem Schutzmantel von 250 µm.

Ein LWL-Kabel ist im Grunde ähnlich aufgebaut wie ein herkömmliches Kabel. Anstatt eines Drahts beziehungsweise feinen Litzen werden die optischen Fasern im Kabel je nach Anwendungsfall durch unterschiedliche Aufbau- und Schutzelemente geführt. Im Grunde können die LWL-Kabeltypen nach folgenden Kategorien unterschieden werden: für feste Verlegung/Anwendung und für flexible/bewegte Anwendung. Für diese Kategorien gibt es dann die unterschiedlichsten Kabelkonstruktionen. Bei Kabeltypen für die feste Verlegung wird aktuell vor allem auf sehr hohe Packungsdichte Werte gelegt. Das heißt, immer dünnere Kabel enthalten immer mehr optische Fasern, die dabei weiterhin gut gegen mechanische Belastungen und Feuchtigkeit geschützt werden.

Kabeltypen für bewegte Anwendungen unterscheiden sich von denen für feste Verlegung. Bei diesen Konstruk­tionen besitzt in den meisten Fällen jede einzelne Faser einen eigenen Schutzaufbau aus Adermantel, Zugentlastungselementen und Kabelmantel. Diese Elemente schützen die Fasern vor mechanischen Einflüssen und machen eine flexible Anwendung möglich. Sie sind auch die Voraussetzung einer direkten Steckerkonfektion.

Anwendung bestimmt die Kabelkonstruktion

Die weitere Verarbeitung ähnelt der von Kupferkabeln: Die optischen Fasern werden verseilt, also in einer Maschine so ineinander verdrillt, dass sie sich in Längsrichtung um die Kabelachse winden. Das hält das Bündel zusammen und verhindert, dass es sich beim Biegen oval verformt. Dann folgt die Ummantelung. Mit dem passenden Schutz ausgerüstet, sind LWL extrem robust im Bezug auf Wasser, Öl, Säure und mechanische Beanspruchung. Sie lassen sich auch in bewegten Anwendungen auf einen Radius mit dem Zehnfachen ihres Außendurchmessers biegen. Ist das Kabel fünf Millimeter dick, beträgt der minimale Biegeradius also fünf Zentimeter.

Höherer Datenverkehr

Im Zuge von Smart Factory und Industrie 4.0 schwillt der Datenverkehr deutlich an, etwa durch den Einsatz von automatischer Bildverarbeitung zur Qualitätskontrolle. Hier bieten LWL viel Potenzial. Zwar sind in der Praxis meist auch mit Kupferkabeln ausreichende Bandbreiten realisierbar, doch in großen Fertigungsstraßen stoßen sie schnell an ihre Grenzen. Glasfasern können wesentlich mehr Daten übertragen, auch über größere Entfernungen. Zudem sind LWL oft dünner und sparen in Maschinen wertvollen Raum – dieser Vorteil wächst, wenn besonders hohe Bandbreiten gefordert sind. Dann kann ein LWL-Kabel die Aufgabe übernehmen, für die sonst mehrere Kupferleitungen nötig wären.

Eine Stärke von LWL im Produk­tionsumfeld ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern. Das spielt bei der herkömmlichen Maschinensteuerung noch keine Rolle, wenn aber eine Highspeed-Kamera ihre Daten direkt an starken Elektromotoren oder gar an einer Schweißanlage vorbeischickt, ist die Störfestigkeit ein wichtiges Thema. LWL lässt das kalt, denn sie arbeiten mit Licht und das lässt sich nicht von elektromagnetischen Feldern beeinflussen.

Andererseits: In einer Maschine nahe am Werkstück rüttelt und schüttelt es die Kabel durch, teilweise werden sie an Roboterarmen meterweit über Schleppketten Millionen Mal hin und her bewegt. In Versuchen im eigenen Testlabor der Lapp-Gruppe mit bis zu 30 Meter langen Schleppketten werden mehrere Jahre harter Fabrikeinsatz im Zeitraffer simuliert. Die Tests zeigen, dass speziell konstruierte LWL-Kabel ihren Pendants aus Kupfer hier in nichts nachstehen.

Kunststoff als Alternative

Eine interessante Alternative sind Kunststofffaserkabel. Wie der Name schon sagt: Die Faser besteht nicht aus Glas, sondern aus transparentem Kunststoff. Die Fasern sind kostengünstiger und einfacher zu bündeln. Sie haben allerdings zwei Einschränkungen gegenüber Glasfasern: Für Datenraten über 100 Megabit pro Sekunde sind sie nicht geeignet, und wegen der geringeren Transparenz ist ihre Länge auf 70 Meter begrenzt – während Glasfasern Licht verlustfrei über viele Kilometer übertragen können. In Fabriken fallen diese Nachteile aber kaum ins Gewicht, sowohl Übertragungstempo als auch Reichweite sind hier meist ausreichend. Ein weiterer Vorteil: Kunststofffaserkabel gelten als einfacher in der Verarbeitung, man kann sie somit auch problemlos vor Ort konfektionieren und einsetzen.

Das macht sie für Einsteiger und vor allem in industrieller Umgebung viel leichter handhabbar. Beim Einsatz von Glasfaserkabel ist etwas mehr Erfahrung und spezielles Werkzeug not­wendig.

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