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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines flexiblen elektrischen Kabels, bestehend aus
einem verdrillten Leiter, der aus dünnen Drähten aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser unter 0,5
mm hergestellt und mit einem Polymermaterial überzogen ist,
oder bestehend aus einem oder mehreren isolierten Leitern, die
mit einer elektrischen Abschirmung umkleidet sind, die aus
dünnen Drähten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit
einem Durchmesser unter 0,5 mm hergestellt und um die Leiter
gesponnen oder geflochten sind, wobei die Abschirmung von
mindestens einer Isolierschicht aus Polymermaterial umgeben
sein kann.
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Kabel dieser Art werden insbesondere bei der
Verdrahtung von Luft- oder Raumfahrzeugen benutzt. Sie bestehen
üblicherweise aus einem leitenden Kern, welcher aus einer Litze
aus dünnen Drähten besteht, und einer Isolation, die aus einer
oder mehreren Schichten eines oder mehrerer Polymermaterialien
aufgebaut ist. Die Materialien können entweder direkt auf den
leitende Kern extrudiert, oder vorher zu Bändern verarbeitet
werden, die anschließend spiralig um den leitende Kern
gewikkelt werden. Eine solche Isolation wird häufig mit einer
Emailleschicht überzogen, die durch Brennen eines Lackes
erhalten wird. Der isolierte Leiter oder ein Bündel isolierter
Leiter kann mit einer elektrischen Abschirmung umhüllt werden,
die mit Hilfe dünner Drähte entweder durch Umspinnen oder
Umflechten hergestellt wird. Diese elektrische Abschirmung ist
im allgemeinen mit einem elektrischen Isoliermaterial
überzogen, das aufextrudiert oder aufgewickelt und ggf. mit einer
Emaille überzogen sein kann.
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Bei den verwendeten Isolierpolymeren und
Emaillestoffen handelt es sich häufig um fluorierte Harze oder um
Polyimide oder um ein beliebiges anderes Material, das bei
Betriebstemperaturen über etwa 150ºC gute mechanische und
elektrische
Isoliereigenschaften behält.
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Um flexible Kabel mit geringstem elektrischen
Widerstand herzustellen, ist es wesentlich, daß das Metall der
Leiter richtig getempert ist. Allerdings ist es bei Leitern
aus dünnen Drähten mit einem Durchmesser unter 0,5 mm bekannt,
daß die getemperten Leiter aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung brüchig sind und schroffe Änderungen der auf sie
im Laufe der Verdrillungs-, Isolations- oder
Umflechtungsoperationen ausgeübten Kräfte nicht vertragen, schroffe
Änderungen also, die man trotz der bei den Verdrillungs-,
Verflechtungs-, Umspinnungs-, oder Isolierungsoperationen aufgewandten
Sorgfalt nicht vollständig vermeiden kann. Die Folge ist, daß
zahlreiche Drahtbrüche im Laufe des Herstellungsprozesses
auftreten, Brüche, die um so störender sind, als man zur
Erzielung höchster Flexibilität der Kabel sich darum bemüht, die
Anzahl der Drähte durch Verringern ihres Durchmessers zu
erhöhen.
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Durch das Dokument FR-A-1.281.150 ist ein Verfahren
zur Herstellung eines verdrillten Drahtes mit
Kunststoffisolation bekannt geworden, bei dem man nacheinander die
Verdrillung seiner ungetemperten Elementardrähte, das mäßige Tempern
der erhaltenen Litze durch Hochfrequenzerwärmung, und
schließlich das Abkühlen der Litze sowie das Aufbringen ihrer
Umhüllung in einem Kunststoffextrudierer durchführt.
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Weiter ist durch das Dokument DE-C-884.833 ein
Verfahren zur Herstellung eines Kabels aus Kupfer- oder
Aluminiumdrähten bekannt geworden, bei dem man die Drähte verdrillt,
in Wasserdampfatmosphäre tempert und ihre Endbehandlung durch
Walzen, Hämmern oder Ziehen vornimmt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung
flexibler elektrischer Kabel mit Drähten aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser unter 0,5 mm
bis hinab auf etwa 0,05 mm, wobei das Bruchrisiko während der
Verdrillungs-, Umflechtungs-, Umspinnungs- und
Isolieroperationen in einem sehr großen Maße verringert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Verfahren
zur Herstellung eines flexiblen elektrischen Kabels:
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- das von einem verdrillten Leiter gebildet wird, der aus
dünnen Aluminiumdrähten mit einem Durchmesser unter 0,5 mm
besteht, wobei der Leiter mit einem Polymermaterial überzogen
ist,
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- oder das von einem oder mehreren isolierten Leitern gebildet
wird, die mit einer elektrischen Abschirmung überzogen sind,
die aus dünnen Aluminiumdrähten mit einem Durchmesser unter
0,5 mm besteht, welche um die Leiter gesponnen oder geflochten
sind, wobei die Abschirmung von mindestens einer
Isolierschicht aus Polymermaterial umgeben sein kann,
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- darin, daß man die Operationen der Verdrillung der den
Leiter bildenden dünnen Drähte, oder der Umspinnung oder
Umflechtung der den bzw. die isolierten Leiter umgebenden und die
elektrische Abschirmung bildenden Drähte unter Verwendung von
dünnen, ungetemperten oder nur teilweise getemperten Drähten
durchführt, daß man ein Isoliermaterial auf den verdrillten
Leiter oder auf die umsponnene oder umflochtene elektrische
Abschirmung aufbringt, danach den isolierten Leiter oder die
isolierte elektrische Abschirmung mit einer Lackschicht auf
Polymermaterialbasis überzieht und schließlich den isolierten
Leiter oder die isolierte elektrische Abschirmung mit Lack
überzogen einer Wärmebehandlung unterzieht, die gleichzeitig
das Tempern des Leiters oder der elektrischen Abschirmung und
das Brennen des Lackes bewirkt.
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Das Verfahren weist weiter vorzugsweise mindestens
eines der nachfolgenden Merkmale auf:
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- wenn es sich um einen Lack auf der Basis fluorierter Harze
handelt, tempert man den isolierten Leiter oder die isolierte
elektrische Abschirmung gleichzeitig mit dem Brennen des Lacks
im Durchlauf durch einen Ofen während einer Dauer von etwa 30
Sekunden bei 450ºC aus;
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- man tempert den isolierten Leiter oder die elektrische
Abschirmung in einem Ofen, dessen Temperatur mindestens 240ºC
beträgt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders gut
für Kabel geeignet, die aus dünnen Drähten aus Aluminium oder
aus einer Aluminiumlegierung bestehen und mit einer
Nickelschicht überzogen sind, wobei diese Drähte von den Anwendern
besonders geschätzt werden, wenn der oder die Leiter oder die
Abschirmung der Kabel an ihrem Ende mit elektrischen
Elementen, wie etwa Kontakten oder anderen Kabeln durch Klemmkontakt
oder Löten verbunden werden müssen. Das Verfahren ermöglicht
außerdem eine gute Verankerung dünner Zinn- oder
Silberlötstellen.
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Im nicht ganz getemperten Zustand besitzen die Drähte
bekanntlich mechanische Eigenschaften, insbesondere eine
Bruchfestigkeit, die denjenigen überlegen sind, die die
gleichen Drähte im völlig getemperten Zustand aufweisen. Die
thermische Behandlung, die zur Erzielung der größten elektrischen
Leitfähigkeit und der bei Kabeln geforderten durchgängigen
Flexibilität benötigt wird, wird nach den Verdrillungs- und
Isolieroperationen am Leiter oder nach dem Aufbringen eines
Isoliermaterials auf der gesponnenen oder geflochtenen
elektrischen Abschirmung durchgeführt.
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Die metallurgische Qualität von getemperten, halbhart
und hart geschmiedeten Erzeugnissen wird, je nach den
Drahtlieferanten und Ländern, unterschiedlich definiert. In
Frankreich beispielsweise wird die Qualität von Drähten aus
Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen durch die Norm NF A 02-006
definiert, während die garantierten Werte der mechanischen
Eigenschaften für jede Qualität vom Lieferanten angegeben
werden. Auf jeden Fall gibt es für jeden Draht aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung immer mehrere metallurgische
Qualitäten neben dem getemperten Zustand, derart, daß der Wert
der Bruchfestigkeit wesentlich größer als der für den
getemperten Zustand beobachtete Wert ist.
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Die Wärmebehandlung, die einen perfekt getemperten
Draht liefert, hängt von der Reinheit des Metalls oder der
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Zusammensetzung der Legierung ab. Er hängt weiter von den
metallurgischen Zuständen und den Wärmebehandlungen ab, denen
das Metall vor dem Tempern in den Herstellungsphasen
ausgesetzt war. Die Wärmebehandlung ist durch die Temperatur, auf
die der Draht gebracht werden muß, und durch die Dauer der
Aufrechterhaltung der Temperatur gekennzeichnet. Bei Aluminium
und zahlreichen Legierungen muß die Temperatur mindestens
240ºC betragen, wobei sie mehrere Stunden anhalten kann. Wenn
man jedoch eine höhere Temperatur anwendet, beispielsweise
eine solche oberhalb von 350ºC, kann ihre Dauer auf den
Bruchteil einer Sekunde reduziert werden.
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Die bei flexiblen Kabeln verwendeten
Isoliermaterialien, insbesondere solchen, die für die Luft- und
Raumfahrtindustrie bestimmt sind, können derartige Temperaturen, je nach
dem verwendeten Isoliermaterial, während einer Zeitdauer
ertragen, die von einigen Sekunden bis zu mehreren Stunden
reicht.
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So kann der verdrillte und umsponnene Leiter oder das
die Abschirmung bildende Flechtwerk auch getempert werden,
wenn sie mit ihrer Isolation überzogen sind. Das Tempern kann
sogar mit der Brennoperation der Lacke kombiniert werden, die
die Isolierschicht(en) überziehen.
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Beispielsweise hat die Anmelderin einen verdrillten
Leiter aus neunzehn Drähten mit einem Durchmesser von 0,15 mm
hergestellt. Diese Drähte aus Aluminium 131050 (diese
Bezeichnung ist durch die französische Norm NF A 02-104 definiert)
waren mit einer Nickelschicht von 1um Dicke überzogen. Sie
wurden verdrillt, als sie sich im hartgehämmerten bzw.
-geschmiedeten metallurgischen Zustand entsprechend der
Bezeichnung H 26 der französischen Norm NF 02-006 befanden. In dieser
Zustand war die Bruchfestigkeit größer als 160 MPa, während
die Bruchdehnung ungefähr 1 % betrug. Der verdrillte Leiter
war mit zwei Schichten Polyimidband isoliert worden, das unter
dem Warenzeichen Kapton von der Firma DUPONT de NEMOURS
verkauft wird. Die Bänder besaßen eine Dicke von 25um. Diese
Isolierung war mit einer Lackschicht überzogen, die aus einer
wässrigen Emulsion von Polytetrafluoräthylen bestand. Der so
überzogene Leiter lief mit einer Geschwindigkeit von 20 m/min
durch einen auf 450ºC erwärmten Ofen. Die Aufenthaltsdauer
jedes Abschnittes des isolierten Leiters in den Ofen betrug
etwa 30 Sekunden. Diese Betriebsbedingungen ermöglichten das
Brennen des Harzes und das Tempern der Aluminiumdrähte, die
den verdrillten Leiter bildeten. Nach der Behandlung besaßen
die dem Leiter entnommenen Drähte eine Bruchdehnung von mehr
als 12 %. Die Bruchfestigkeit war nicht größer als 130 MPa.
Diese Kennwerte entsprechen genau der metallurgischen Qualität
nach einer Temperbehandlung, die die erforderliche elektrische
Leitfähigkeit und Flexibilität garantiert.
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Bei einer anderen Ausführungsform wurden zwei in der
beschriebenen Weise hergestellte Drähte zu einem Paar
verdrillt. Auf diesem Paar wurde ein Geflecht bestehend aus
sechzehn Wickeln zu je drei Drähten aus Aluminium 131050 mit
Nikkelüberzug aufgebracht, wie oben beschrieben. Der Durchmesser
dieser Drähte betrug 0,12 mm. Sie wurden im halbgehärteten
metallurgischen Zustand entsprechend der Bestimmung H 24 der
französischen Norm NF A 02-006 verwendet, da die härtere
metallurgische Qualität H 26 nicht zur einwandfreien Herstellung
eines Flechtwerks geeignet war. Bei der Qualität H 24 lag die
Bruchfestigkeit jedes Drahts zwischen 140 und 150 MPa. Die
Bruchdehnung lag zwischen 3 und 4 %. Das Flechtwerk wurde
anschließend mit zwei Bandschichten aus Kapton und einer
fluorierten Lackschicht isoliert, wie oben beschrieben. Das so
hergestellte Kabel durchlief dann den gleichen Ofen unter den
gleichen Betriebsbedingungen, wie oben angegeben. Die nach der
Behandlung an den aus dem Flechtwerk entnommenen Drähten
durchgeführten Versuche lieferten die gleichen Ergebnisse,
d.h. eine Bruchfestigkeit unter 130 MPa und eine Bruchdehnung
über 12 %, was die erforderliche Flexibilität und
Leitfähigkeit garantiert.
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Wie weiter oben dargelegt, kann die Höhe der
Temperatur
und die Aufenthaltsdauer in dem Ofen in weiten Grenzen
variieren, ermöglicht aber dennoch das Tempern des verdrillten
Leiters oder der Abschirmung. Dies wiederum gibt die
Möglichkeit, die Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung anderer
Anforderungen auszuwählen, die insbesondere durch die
Eigenschaften der benutzten Isoliermaterialien gegeben sind. Bei
den oben aufgeführten Beispielen wurde die Temperatur des
Ofens auf den höheren, für das Brennen des fluorierten Lackes
erforderlichen Wert eingestellt.