Comprendre les câbles multiconducteurs flexibles pour les applications industrielles

Les câbles multiconducteurs utilisés pour l'alimentation et la commande dans les applications telles que l'automatisation industrielle, les machines lourdes, les robots et la production d'énergie sont soumis à une flexion et une torsion continues, à de grandes variations de température et à une exposition aux huiles, à l'eau et aux produits chimiques industriels. Ces conditions peuvent affecter la durée de vie des câbles, conduire à un fonctionnement peu fiable et compromettre la sécurité. L'intégrité des signaux est également un problème et les câbles peuvent donc nécessiter un blindage pour minimiser les interférences électromagnétiques (EMI).

Les concepteurs de systèmes pour ces applications doivent bien connaître les matériaux capables de résister aux rigueurs des environnements industriels et comprendre les subtilités de la disposition et du placement des conducteurs. En outre, ils doivent veiller à respecter les normes internationales en matière de capacité et de sécurité environnementales.

Cet article fournit un bref aperçu des exigences de câblage pour les applications industrielles. Il présente ensuite des exemples de câbles à flexion continue ultra-flexibles de LAPP et montre comment les matériaux et la construction spécialisée permettent aux concepteurs de répondre à ces spécifications.

Mouvement industriel

Les usines automatisées sont en mouvement constant. Les bras robotisés s'étendent, tournent et se rétractent, les stations de traitement pivotent et positionnent les produits pour les opérations d'usinage et d'assemblage automatisé, et les machines-outils pivotent et déplacent les têtes d'outils (Figure 1).

Figure 1 : Les machines automatisées requièrent des câbles fiables, capables de supporter des millions de cycles de flexion et de torsion. (Source de l'image : LAPP)

Ces applications, de même que les grues, les éoliennes et les véhicules lourds, nécessitent des câbles flexibles capables de résister à des millions de cycles de flexion et de torsion. Les mouvements typiques des câbles incluent la flexion continue, la flexion torsionnelle et la flexion de courbure (Figure 2).

Figure 2 : Les mouvements de flexion typiques auxquels les câbles sont exposés incluent la flexion continue, la flexion torsionnelle et la flexion de courbure. (Source de l'image : LAPP)

Un câble roulant d'avant en arrière dans un mouvement linéaire, généralement dans un chemin de roulement de câbles, est soumis à une flexion continue. La flexion torsionnelle, fréquente dans les machines robotisées, résulte de la torsion d'un câble longitudinalement, dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, dans une plage de 90° à 360°. La flexion de courbure résulte de la flexion d'un câble d'avant en arrière par rapport à un point fixe. Dans tous ces cas, la contrainte la plus élevée se produit au point de courbure stationnaire et au point de commande.

Il est essentiel de comprendre comment les câbles sont conçus pour supporter un type de courbure spécifique afin de garantir la fiabilité et une durée de vie fonctionnelle étendue.

Câble flexible

La flexibilité d'un câble est fonction de sa structure interne. Cela commence par un fil conducteur entouré d'un isolant. Le conducteur le plus fréquemment utilisé est le cuivre, suivi de l'aluminium et de l'argent. L'isolant est sélectionné parmi une gamme de thermoplastiques ou d'élastomères et est appliqué par extrusion.

En général, la plus grande flexibilité d'un câble résulte de l'utilisation de plusieurs fils plus petits. Étant donné que la résistance d'un câble est fonction de la section transversale du fil, plusieurs fils plus petits doivent être utilisés pour maintenir la résistance série du câble. La norme DIN VDE 0295/CEI 602258 spécifie plusieurs classes de flexibilité pour les câbles industriels (Figure 3).

Figure 3 : Les classes DIN VDE 0295/CEI 602258 pour les structures de câbles flexibles s'étendent des fils pleins pour les applications fixes aux fils divisés extra-fins pour les installations extra-flexibles. (Source de l'image : LAPP)

Les conducteurs de classe 1 utilisent un fil plein, généralement en cuivre. Ils sont destinés à une installation dans les bâtiments nécessitant un câble fixe, résistant et rigide.

Les conducteurs de classe 2 contiennent plusieurs fils divisés avec un diamètre individuel plus petit. Cette classe de câbles offre une plus grande flexibilité, mais reste destinée aux installations fixes dans les applications pouvant nécessiter une flexion, un enroulement ou un mouvement occasionnel, comme lors du positionnement et du routage initiaux.

Les conducteurs flexibles de classe 5 utilisent des fils plus fins pour produire des câbles plus flexibles. Ces câbles sont utilisés dans les cordons d'alimentation pour les outils électriques portables, les rallonges et d'autres applications où la flexibilité est utile mais non requise de manière répétée.

Les conducteurs extra-flexibles de classe 6 utilisent des fils encore plus fins. Ce type de conducteur est utilisé pour les câbles installés dans les équipements électriques mobiles tels que les robots et les machines industrielles, ainsi que dans les zones où les câbles sont soumis à des mouvements ou des torsions fréquents.

Les fils dans les câbles multifilaires sont torsadés ou posés pour obtenir une section circulaire, minimiser le diamètre et améliorer la flexibilité (Figure 4).

Figure 4 : Poses de câbles les plus courantes pour réduire le diamètre, garantir une section circulaire et augmenter la flexibilité. (Source de l'image : LAPP)

Les câbles en faisceau contiennent un nombre quelconque de fils disposés de manière aléatoire et torsadés ensemble dans le même sens. La construction en faisceau n'a pas de configuration géométrique bien définie et peut avoir une section transversale variable. Les constructions unilay associées ont une géométrie et une section transversale bien définies.

Les câbles à pose concentrique utilisent un fil central entouré de couches bien définies de conducteurs disposés en spirale. Chaque couche concentrique a un sens de pose inversé. En raison de la torsion, la longueur de pose de chaque rangée successive augmente. Les câbles concentriques sont utilisés dans les applications de flexion continue.

Les conducteurs en structure unilay concentrique entourent un noyau en fils unique avec une ou plusieurs couches de conducteurs disposés en hélice. Les couches successives sont enroulées dans le même sens de pose et augmentent la longueur de pose à chaque rangée successive. Ce type de câble est typiquement utilisé dans les conceptions exigeant une flexion torsionnelle et continue.

Construction des câbles

Un câble est constitué de plusieurs fils entourés de couches de matériaux lubrifiants et isolants. L'isolant le plus fréquemment utilisé est le polychlorure de vinyle (PVC). Plusieurs fils sont posés et recouverts de couches protectrices, formant ainsi le câble. Par exemple, les câbles de commande à flexion continue ÖLFLEX FD 890 et FD 890 CY de LAPP (Figure 5) utilisent plusieurs conducteurs en cuivre avec un isolant en PVC spécialement formulé.

Figure 5 : La structure des câbles flexibles blindés et non blindés inclut des conducteurs en cuivre avec un isolant en PVC. (Source de l'image : LAPP)

Les câbles de la gamme FD 890 (Figure 5, en haut) ont de 3 à 50 fils et des tailles de fils de 20 AWG à 2 AWG, tandis que les câbles de la gamme FD 890 CY (Figure 5, en bas) ont de 3 à 34 fils, avec des tailles de fils de 20 AWG à 6 AWG. Leurs structures sont similaires, à l'exception de l'ajout de la tresse de blindage.

Les câbles de la série FD 890 CY incluent une tresse en cuivre étamé pour les applications exigeant un blindage EMI. Les câbles blindés sont nécessaires dans les zones telles que les usines, où la concentration de câbles d'alimentation et de commande actifs est généralement plus élevée dans un espace confiné. Les câbles blindés ont une structure de conducteur similaire à celle des câbles non blindés, avec une gaine interne en PVC ajoutée sous la tresse afin de l'isoler des fils dans le conducteur. En raison des couches supplémentaires, le diamètre du câble est supérieur à celui d'un câble non blindé comparable. La gaine extérieure présente les mêmes caractéristiques que le câble non blindé.

Un exemple de la série ÖLFLEX FD 890 est le câble non blindé à quatre conducteurs 8920044 avec des fils de 20 AWG. La spécification métrique équivalente a une section conductrice de 0,5 mm². Le câble assemblé présente un diamètre de 7,4 mm. Un exemple de la gamme ÖLFLEX FD 890 CY blindée est le câble à quatre conducteurs 8914044S avec des fils de 14 AWG. Ce câble a une section conductrice de 2,5 mm², avec un diamètre de câble de 14 mm. La tresse de blindage fournit une couverture de 85 % de la surface du fil central.

Les deux gammes de câbles dépassent la norme de flexibilité de classe 6. Elles sont répertoriées pour supporter des tensions de fonctionnement jusqu'à 600 V et sont testées pour le claquage jusqu'à 2000 V. La spécification de température pour les deux séries de câbles dépend de l'application. Par exemple, elle est de -5°C à +90°C pour les applications exigeant une flexion continue et de -25°C à +90°C pour une utilisation stationnaire.

Le rayon de courbure minimum est un facteur de mérite pour la flexibilité du câble. Il s'agit du plus petit rayon de courbure que le câble peut supporter sans subir de dommages. Il est généralement exprimé en multiples du diamètre (D) du câble (Figure 6).

Figure 6 : Le rayon de courbure minimum est défini en termes de multiples du diamètre (D) du câble. (Source de l'image : LAPP)

Le câble illustré à la Figure 6 a un rayon de courbure minimum égal à trois fois le diamètre du câble. Les câbles FD 890 ont un rayon de courbure de 7,5 diamètres de câble. En raison de la gaine interne ajoutée et des couches de blindage, les câbles blindés FD 890 CY ont un rayon de courbure minimum supérieur de 10 diamètres. Par exemple, le rayon de courbure minimum pour le câble FD 890 CY de 14 mm est de 140 mm.

Les câbles FD 890 et FD 890 CY sont certifiés selon les normes UL, CSA, CE et RoHS pour le mouvement, l'ininflammabilité, la résistance aux huiles et la résistance à la lumière du soleil.

Conclusion

Les câbles multiconducteurs ÖLFLEX FD 890 et FD 890 CY de LAPP sont conçus pour la flexion continue dans les applications telles que l'automatisation industrielle, les machines lourdes, les robots et la production d'énergie. Ces câbles utilisent un toronnage fin et des composés spécialement formulés pour optimiser la durée de flexion et offrir une haute résistance aux huiles, à l'eau et aux liquides de refroidissement et solvants industriels. Une version blindée est disponible pour les applications dans lesquelles les interférences électromagnétiques constituent un problème.