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Anwendungen von leitfähigem Schaumstoff in Industrierobotern und fahrerlosen Transportsystemen
Die Robotikbranche entwickelt sich rasant. Von Industrierobotern in automatisierten Produktionslinien über kollaborative Roboter (Cobots), die Seite an Seite mit Menschen arbeiten, bis hin zu fahrerlosen Transportsystemen (AGVs), die in intelligenten Lagern eingesetzt werden, werden moderne Roboter immer präziser, kompakter und hochintegriert.
Eine stärkere Integration bringt jedoch auch eine größere Herausforderung mit sich: elektromagnetische Störungen (EMI) Die
Da Roboter zunehmend mit Servomotoren, Sensoren, Kommunikationsmodulen und Steuerungssystemen ausgestattet werden, ist die Aufrechterhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu einem entscheidenden Bestandteil der Roboterkonstruktion geworden.
Ein oft übersehener Bestandteil dieses Prozesses ist leitfähiger Schaumstoff , ein flexibles EMI-Abschirmmaterial, das dazu beiträgt, einen zuverlässigen elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten, elektromagnetische Leckagen zu verhindern und die Systemstabilität zu verbessern.
Wenn Sie zunächst die Grundlagen von leitfähigem Schaumstoff verstehen möchten, können Sie unseren Leitfaden lesen: Was ist leitfähiger Schaumstoff? Verwendung, Anwendungen und Vorteile bei der elektromagnetischen Abschirmung Die
Dieser Artikel untersucht die Anwendung von leitfähigem Schaumstoff in vier kritischen Bereichen der Robotik und erklärt die Gründe dafür. EMI-Abschirmschaum Lösungen sind für Industrieroboter, kollaborative Roboter und AGV-Systeme unerlässlich geworden.
1. Warum benötigen Roboter eine EMI-Abschirmung?
Roboter operieren in komplexen elektromagnetischen Umgebungen. Innerhalb und um ein Robotersystem herum können mehrere Störquellen die Signalintegrität und die Steuerungsgenauigkeit beeinträchtigen.
1.1 Dichte interne Geräuschquellen
Ein typischer Steuerschrank für Industrieroboter enthält:
- Servoantriebe
- Schaltnetzteile
- Frequenzumrichter
- SPS-Steuerungen
- Kommunikationsmodule
Servomotoren zählen zu den stärksten EMI-Quellen. PWM-Ansteuersignale (Pulsweitenmodulation) können hochfrequente elektromagnetische Störungen im Bereich von mehreren zehn bis zu mehreren hundert MHz erzeugen.
Ohne ausreichende Abschirmung kann dieses Rauschen folgende Störungen verursachen:
- Positionssensoren
- Encodersignale
- Kommunikationsschnittstellen
- Steuerschaltungen
1.2 Externe elektromagnetische Störungen
Industrielle Umgebungen enthalten oft mehrere Hochleistungsgeräte, darunter:
- Schweißmaschinen
- CNC-Ausrüstung
- Große Motoren
- Leistungswandler
Diese Geräte erzeugen elektromagnetische Strahlung, die über Kabel, Gehäuse oder strukturelle Lücken in Robotersteuerungssysteme einkoppeln kann.
1.3 Hohe Anforderungen an die Signalintegrität
Moderne Roboter sind stark auf Präzisionssensoren angewiesen:
- Drehmomentsensoren
- Bildverarbeitungssysteme
- LiDAR-Module
- Kraftrückkopplungssensoren
- Berührungssensoren
Viele Sensorsignale arbeiten mit sehr niedrigen Spannungspegeln, manchmal bis in den Millivolt- oder Mikrovoltbereich.
Schon geringe elektromagnetische Störungen können Folgendes verursachen:
- Positionsfehler
- Kommunikationsinstabilität
- Falsche Rückkopplungssignale
- Unerwartete Bewegung
Für kollaborative Roboter und medizinische Roboter ist diese Zuverlässigkeit besonders wichtig.
1.4 Kommunikationszuverlässigkeit
Industrieroboter nutzen zunehmend Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsprotokolle wie zum Beispiel:
- EtherCAT
- CAN-Bus
- Industrielles Ethernet
Diese Kommunikationssysteme reagieren sehr empfindlich auf elektromagnetische Störungen. Eine geeignete Abschirmung ist erforderlich, um eine stabile Datenübertragung zu gewährleisten.
2. Vier wichtige Anwendungsbereiche von leitfähigem Schaumstoff in der Robotik.
Anwendungsbereich 1: Robotersteuerschränke – Der Hauptbereich für elektromagnetische Abschirmung
Der Robotersteuerschrank ist eine der wichtigsten EMV-Schutzzonen.
Im Inneren des Schranks befinden sich üblicherweise verschiedene Funktionsbereiche:
- Strombereich
- Fahrbereich
- Kontrollbereich
- Kommunikationsbereich
Ohne eine ordnungsgemäße elektromagnetische Isolation können sich Störungen zwischen diesen Abschnitten durch Strahlung oder Leitung ausbreiten.
Wie leitfähiger Schaumstoff in Schaltschränken verwendet wird
| Anwendungsstandort | Empfohlenes Material | Hauptfunktion |
|---|---|---|
| Schranktürdichtung | D-förmiger oder P-förmiger FOF-leitfähiger Schaumstoff | Füllt Spalten zwischen Tür und Schrankrahmen, um elektromagnetische Störungen zu verhindern. |
| Interne Trennwanderdung | Rechteckige FOF-Schaumdichtung | Sorgt für eine leitende Verbindung zwischen den Abschirmwänden. |
| Leiterplattenerdung | SMT-Leitschaum | Erzeugt eine elastische Erdung zwischen den Leiterplattenkontakten und dem Metallgehäuse |
| Kabeleinführungsschirmung | Ringförmiger leitfähiger Schaumstoff / omnidirektionaler Schaumstoff | Bietet Schutz um Kabelöffnungen herum |
Warum verwenden? Leitfähiger Schaumstoff Anstatt Kupferfolie ?
Bei der Montage von Schaltschränken entstehen aufgrund mechanischer Toleranzen häufig ungleichmäßige Spalten zwischen 0,5 mm und 2 mm.
Materialien wie Kupferfolie und Aluminiumfolie bieten zwar eine ausgezeichnete Leitfähigkeit, können diese strukturellen Abweichungen aber nicht ausgleichen.
FOF-leitfähiger Schaumstoff löst dieses Problem, weil er Folgendes kombiniert:
- Elektrische Leitfähigkeit
- Elastische Rückstellung
- Lückenfüllfähigkeit
- Langzeit-Kontaktdruck
Dadurch wird eine durchgängige Erdung entlang des gesamten Dichtungspfades gewährleistet.
Einen detaillierten Vergleich zwischen leitfähigem Schaumstoff, Kupferfolie, Aluminiumfolie und leitfähigem Gewebe finden Sie hier:
Anwendungsbeispiel
Ein Roboterhersteller stellte bei EMV-Tests im Frequenzbereich von 30 MHz bis 100 MHz übermäßige Störaussendungen fest.
Als Hauptursache wurde ein Leck im Spalt zwischen Schaltschranktür und Lufteintritt identifiziert.
Die ursprüngliche Konstruktion verwendete leitfähige Gummistreifen, doch die langfristige Kompression führte zu Verformungen und verringerte die Kontaktsicherheit.
Nach dem Austausch gegen Konlida D-förmigen FOF-Leitschaum:
- Die abgestrahlte Emission sank um 8–12 dB.
- Die EMV-Zertifizierung wurde erfolgreich erreicht
- Langzeitige Dichtungszuverlässigkeit verbessert
Anwendungsbereich 2: Robotergelenkmodule – Lösung von Platzbeschränkungen
Robotergelenke sind die zentralen beweglichen Komponenten von Robotersystemen.
Sie integrieren sich:
- Servomotoren
- Encoder
- Reduzierstücke
- Gemeinsame Kontrollgremien
Der interne Einbauraum ist jedoch extrem begrenzt. Der verfügbare Platz für Abschirmmaterialien beträgt oft nur 1–3 mm.
Anwendungen von leitfähigem Schaumstoff in Verbindungsmodulen
| Anwendungsstandort | Material | Funktion |
|---|---|---|
| Gemeinsame Erdung der Steuerplatine | Mini-SMT-Leitschaum | Sorgt für eine Erdung zwischen Leiterplatte und Metallgehäuse |
| Encoderabschirmung | Omnidirektionaler leitfähiger Schaumstoff | Schützt Encodersignale vor PWM-Störungen des Motors |
| Motorkabelausgangsschirmung | Leitfähiges Gewebe oder leitfähiger Mini-Schaumstoff | Erzeugt Schirmungserdung an Kabelausgängen |
Warum wählen SMT-EMI-Dichtungen ?
Herkömmliche Erdungsfederkontakte weisen mehrere Einschränkungen auf:
- Großer Installationsraum
- Mechanische Ermüdung bei Bewegung
- Frakturrisiko nach langfristiger Vibration
SMT-EMI-Dichtungen bieten eine bessere Lösung.
Zu den Vorteilen gehören:
- Kompakte Größe (bis zu 1,2 mm × 1,2 mm)
- Direktes Leiterplattenlöten durch Reflow-Prozess
- Stabiler elastischer Kontakt
- Beständigkeit gegen Schwingungsermüdung
Im Vergleich zu herkömmlichen Metallfedern absorbiert die Struktur auf Silikonbasis Mikrovibrationen und gewährleistet eine zuverlässige Erdungsleistung.
Informationen zur Auswahl der leitfähigen Schaumstoffstruktur für SMT finden Sie hier:
Weiche SMD-Kontakte: Vergleich von 5 internen Strukturen für die EMV-Erdung
Anwendungsbereich 3: Sensormodule – Schutz schwacher Signale
Moderne Roboter nutzen eine Vielzahl von Präzisionssensoren, darunter:
- Drehmomentsensoren
- Vision-Kameras
- LiDAR
- Ultraschallsensoren
- Taktile Sensoren
Diese Geräte geben oft extrem schwache Signale aus, die sehr anfällig für elektromagnetische Störungen sind. Effektiver EMI-Abschirmschaum trägt dazu bei, die Signalintegrität und die Systemgenauigkeit zu erhalten.
Typische Anwendungen von EMI-Dämmstoffen in Sensormodulen
| Anwendungsstandort | Empfohlenes Material | Zweck |
|---|---|---|
| Erdung des Sensorgehäuses | Rechteckiger oder kundenspezifischer leitfähiger FOF-Schaum | Stellt eine niederohmige Verbindung zwischen dem Sensorgehäuse und dem Roboterchassis her. |
| Sensorkabelabschirmung | Leitfähiges Gewebe | Bietet eine 360°-Abschirmung zwischen den Kabelabschirmungsschichten und den Steckergehäusen. |
| Abschirmung des Sichtmoduls | Omnidirektionaler leitfähiger Schaumstoff | Schützt Kameramodule vor elektromagnetischen Störungen in der Umgebung |
Warum verwenden? Omnidirektionaler leitfähiger Schaumstoff ?
Bildverarbeitungssysteme erfordern eine außergewöhnliche Signalstabilität. Selbst geringfügige elektromagnetische Störungen können die Bildqualität oder die Positioniergenauigkeit beeinträchtigen.
Der omnidirektionale leitfähige Schaumstoff bietet Leitfähigkeit in X-, Y- und Z-Richtung und ermöglicht so eine zuverlässige Erdung mit nur 0,1–0,3 mm Kompression. Dies minimiert die mechanische Belastung und gewährleistet gleichzeitig eine stabile elektromagnetische Abschirmung um optische Präzisionsbaugruppen.
Um die verschiedenen leitfähigen Schaumstoffstrukturen besser zu verstehen, lesen Sie unseren Leitfaden:
Leitfähige Schaumstoffdichtungstypen: Ein übersichtlicher Leitfaden zu FOF, SMT, Luftschleifendichtungen und mehr
https://www.konlidainc.com/article/foam-guide.html
Anwendungsbereich 4: Stromversorgungs- und Kommunikationsmodule
Stromversorgungen und Kommunikationsschnittstellen sind zwei häufige Schwachstellen in der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von Robotersteuerungssystemen.
Leistungsmodule
Schaltnetzteile arbeiten typischerweise im Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 1 MHz , während ihre Oberwellen bis in den Bereich von mehreren zehn MHz reichen können.
Zu den wichtigsten Anforderungen gehören:
- Niedrige Erdungsimpedanz
- Langzeit-Kontaktstabilität
- Hochtemperaturbeständigkeit
Empfohlene Lösung: Vergoldeter leitfähiger Schaumstoff, der eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit bietet und über lange Betriebszeiten einen stabilen Kontaktwiderstand aufrechterhält.
Kommunikationsmodule
Industrielle Kommunikationsprotokolle wie zum Beispiel:
- EtherCAT
- CAN-Bus
- Industrielles Ethernet
sind extrem empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Kommunikationssteckverbinder benötigen einen durchgehenden 360°-Abschirmungskontakt, um elektromagnetische Leckagen zu minimieren.
Zu den empfohlenen Lösungen gehören:
- Ringförmiger leitfähiger Schaumstoff
- EMI-Schwamm mit individuellem Profil
- Leitfähiges Gewebe zur Kabelabschirmung
Diese Materialien schaffen einen durchgehenden leitfähigen Pfad um Kommunikationsschnittstellen herum und berücksichtigen dabei Fertigungstoleranzen.
3. Leitfaden zur Auswahl von EMI-Abschirmungsmaterialien für Roboter
| Anwendung | Hauptanforderung | Empfohlenes Material | Auswahltipps |
|---|---|---|---|
| Tür des Steuerschranks | Lückenfüllung & Haltbarkeit | D-förmiger leitfähiger FOF-Schaum | Kompressionsverhältnis 25–30 %, Rückgewinnungsrate >90 % |
| Leiterplattenerdung | Automatisierte Montage | SMT-Leitschaum | Silikonkern kompatibel mit Reflow-Löten |
| Robotergelenke | Kompakte Installation | Mini-SMT-Leitschaum | Erhältlich ab 1,2 × 1,2 mm |
| Encoderschutz | Geringe Kompressionskraft | Omnidirektionaler leitfähiger Schaumstoff | Leitfähig bereits bei 10 % Kompression |
| Sensorgehäuse | Benutzerdefinierte Profile | Kundenspezifischer FOF-leitfähiger Schaumstoff | Entwickelt, um sich der Gehäusegeometrie anzupassen |
| Leistungsmodule | Hohe Temperatur | Vergoldeter FOF- oder SMT-Schaum | Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit |
| Kommunikationsschnittstellen | 360°-Erdung | Ringförmiger leitfähiger Schaumstoff | Angepasst an die Steckergröße |
| AGV-Motorsteuerungen | Vibrations- und Witterungsbeständigkeit | Leitfähiger FOF-Schaum mit Silikonkern | Betriebstemperaturbereich: −40 °C bis 150 °C |
4. Besondere Anforderungen an leitfähigen Schaumstoff in der Robotik
Langzeit-Vibrationsbeständigkeit
Industrieroboter arbeiten kontinuierlich unter sich wiederholenden Vibrationen und Bewegungen. Abschirmungsmaterialien müssen während ihrer gesamten Lebensdauer einen stabilen elektrischen Kontakt gewährleisten.
Empfohlene Lösung:
- Leitfähiger Silikonkernschaum
- PORON®-Kern leitfähiger Schaumstoff
- Genesungsrate über 90 %
- SMT-montierte Ausführungen für Anwendungen, die höchste Zuverlässigkeit erfordern
Breiter Betriebstemperaturbereich
Roboter können in unterschiedlichsten Umgebungen eingesetzt werden, von Kühlhäusern bis hin zu Gießereien.
Die typischen Umgebungstemperaturen liegen zwischen −40 °C und +120 °C .
Empfohlene Lösung:
- Leitfähiger Schaumstoff mit Silikonkern
- vergoldete leitfähige PI-Folie
Diese Materialien sind bis zu 280°C temperaturbeständig und übertreffen damit herkömmliche EMI-Schwämme mit PU-Kern deutlich.
Reinigungsanforderungen
Für Roboter, die in Medizingeräten, der pharmazeutischen Produktion und der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt werden, werden Materialien mit geringer Kontamination und ausgezeichneter chemischer Stabilität benötigt.
Medizinischer leitfähiger Schaumstoff, hergestellt unterISO 13485 Qualitätssysteme helfen dabei, diese anspruchsvollen Anwendungsanforderungen zu erfüllen.
Leichtbauweise für kollaborative Roboter
Eine Gewichtsreduzierung verbessert direkt die Nutzlastkapazität und die Energieeffizienz von kollaborativen Robotern.
Im Vergleich zu herkömmlichen Abschirmungslösungen bieten leichte Materialien wie beispielsweise:
kann das Gewicht der Abschirmungskomponenten um mehr als50% bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hervorragenden EMV-Leistung.
Häufig gestellte Fragen
Kann Kupferfolie leitfähigen Schaumstoff im Inneren von Robotern ersetzen?
Nicht ganz.
Kupferfolie eignet sich gut für ebene Metalloberflächen, kann jedoch Montagetoleranzen oder unregelmäßige Spalten nicht ausgleichen. EMI-Abschirmschaum ist daher weiterhin die bevorzugte Lösung, wenn Kompression, Flexibilität oder ein kontinuierlicher elektrischer Kontakt erforderlich sind.
Wie wird die Interferenz von Servomotoren kontrolliert?
Servomotoren erzeugen beides:
- Abgestrahlte elektromagnetische Felder
- Leitungsgebundene elektromagnetische Störungen
Abgestrahlte Störungen werden typischerweise durch den Einsatz von Metallgehäusen in Kombination mit EMI-Schaumdichtungsmaterialien reduziert.
Leitungsgebundene Störungen werden kontrolliert durch:
- EMI-Filter
- Ferritkerne
- Korrekte Erdungskonstruktion
Kabelausgänge werden üblicherweise mit leitfähigem Schaumstoff oder leitfähigem Gewebe abgeschirmt.
Benötigen AGVs eine EMV-Abschirmung?
Ja.
AGVs integrieren mehrere elektronische Subsysteme, darunter:
- Motorsteuerungen
- Batteriemanagementsysteme (BMS)
- LiDAR-Navigation
- Drahtlose Kommunikationsmodule
Leitfähiger Schaumstoff wird häufig um Gehäusenähte und empfindliche Elektronikmodule herum eingesetzt, um die EMV-Leistung zu verbessern.
Können Gelenke von kollaborativen Robotern leitfähigen Schaumstoff verwenden?
Absolut.
Die Gelenke des Roboters enthalten Servomotoren, Encoder, Drehmomentsensoren und eine kompakte Steuerelektronik.
Miniaturisierte SMT-Leitschaumstoffe und omnidirektionale Leitschaumstoffe gewährleisten eine zuverlässige Erdung bei minimalem Platzbedarf.
Welche EMV-Normen gelten für Industrieroboter?
Die meisten Industrieroboter sind so konstruiert, dass sie den folgenden Anforderungen entsprechen:IEC 61000 EMV-Normen, einschließlich:
- IEC 61000-6-2 (Industrielle Störfestigkeit)
- IEC 61000-6-4 (Industrieemissionen)
Die anzuwendenden Normen hängen vom Zielmarkt und dem vorgesehenen Einsatzgebiet des Roboters ab.
Über Konlida
Gegründet in2006
Unsere EMI-Abschirmschaumprodukte werden in großem Umfang in Industrierobotern, kollaborativen Robotern und AGVs eingesetzt für:
- Schaltschränke
- Gemeinsame Module
- Sensorsysteme
- Kommunikationsschnittstellen
- Leistungselektronik
Konlida bietet ein komplettes Portfolio an, das Folgendes umfasst:
- FOF-leitfähiger Schaumstoff
- SMT-Leitschaum
- AIR LOOP leitfähiger Schaumstoff
- Omnidirektionaler leitfähiger Schaumstoff
- Leitfähige Textillösungen
Zertifiziert nachIATF 16949 UndISO 13485 Wir bieten sowohl Standardprodukte als auch vollständig kundenspezifische EMV-Lösungen für anspruchsvolle industrielle und medizinische Anwendungen an.
Ob Sie nun Rapid Prototyping oder kundenspezifisch entwickelte EMI-Schwammkomponenten für komplexe Roboterstrukturen benötigen, unser Ingenieurteam steht Ihnen für Ihr nächstes Projekt gerne zur Seite.
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