Criteri per la selezione di cavi e fili

La progettazione di cavi e fili oggi è molto più di una decisione su un semplice componente. Alla base c'è piuttosto un pensiero di sistema complessivo che combina il tipo di installazione (statica o dinamica), le sollecitazioni elettriche e meccaniche, ma anche l'economicità e la sostenibilità. Ignorando questo approccio si rischiano guasti, perdite di energia e costi inutilmente elevati.

In tempi caratterizzati dall'elettrificazione, dall'incremento della trasmissione dati e dalla crescente pressione verso la sostenibilità, i cavi diventano rapidamente componenti critici. Non sono più solo i parametri elencati in una scheda tecnica a determinare guasti, prestazioni e durata in servizio. La mancanza di valutazioni a livello di sistema può anche impedire il pieno utilizzo delle più recenti innovazioni tecniche dei produttori. Aziende rinomate come LAPP, Igus, HELUKABEL e Belden hanno allineato i loro modelli di business di conseguenza, trattando cavi e fili come parti integranti del sistema complessivo e prendendo in considerazione le attuali tendenze tecnologiche.

Nuovi campi di applicazione, nuovi requisiti

Uno sviluppo fondamentale per i cavi e i fili è l'elettrificazione in corso delle applicazioni industriali, dalla produzione all'intralogistica, fino alle infrastrutture di ricarica. Di conseguenza, i requisiti in termini di capacità di condurre corrente, di resistenza alla temperatura e di durata in servizio stanno aumentando considerevolmente. Allo stesso tempo, le applicazioni in corrente continua (c.c.) stanno acquisendo importanza, ad esempio nelle reti c.c. industriali e nei concetti di ricarica e azionamento ad alta potenza.

Un'altra tendenza è la densificazione funzionale: oggi i cavi svolgono spesso più compiti contemporaneamente, come nel caso della trasmissione combinata di alimentazione e dati nei cavi ibridi. Inoltre, cresce la richiesta di un'installazione semplificata e di una maggiore disponibilità del sistema.

I requisiti aumentano anche nelle applicazioni dinamiche. Velocità più elevate, accelerazioni maggiori, raggi di curvatura più stretti e distanze di percorrenza più lunghe rendono sempre più impegnativa la progettazione dei cavi nei sistemi in movimento. Allo stesso tempo, la percentuale di cavi ad alta intensità di dati continua a crescere. I sistemi di bus come Industrial Ethernet o PROFINET sono entrati da tempo nei sistemi portacavi.

Anche la sostenibilità sta diventando sempre più importante. Un numero sempre maggiore di utenti e di acquirenti è alla ricerca di cavi di lunga durata, di una contabilità trasparente delle emissioni di CO₂, nonché di prodotti realizzati con materiali riciclati. I cavi e i fili non vengono quindi più valutati solo in base alla conformità agli standard, ma anche in base al loro contributo all'efficienza e alla sostenibilità del sistema nel suo complesso.

La scelta del cavo giusto richiede la valutazione di molteplici criteri: tipo di installazione (statica o dinamica), sezione del conduttore, numero di cicli di piegatura, conduttori a trefoli o pieni, materiale dell'isolamento e della guaina. Nel processo decisionale devono essere presi in considerazione anche i requisiti in termini di comportamento EMC, tipo di tensione (c.a./c.c.) e trasmissione dati. Piuttosto che affrontare ciascun parametro in modo isolato, è essenziale una visione olistica a livello di sistema.

Errori comuni nella selezione dei cavi

Secondo gli esperti di LAPP, una delle insidie più comuni è quella di affrontare la selezione dei cavi troppo tardi nel processo di sviluppo. Spesso si sceglie solo la sezione minima consentita dagli standard del settore, senza considerare le reali condizioni di funzionamento per l'intero ciclo di vita. Questo può avere gravi conseguenze.

Per evitare rischi fin dall'inizio, è consigliabile procedere a una progettazione coerente dal punto di vista dell'applicazione. Le domande chiave sono: qual è l'effettivo carico di corrente? Per quanto tempo deve funzionare il sistema? Quanto deve essere flessibile il cavo? A quali condizioni ambientali è esposto continuamente? È necessario prendere in considerazione anche le perdite di energia e l'aumento della temperatura per garantire una decisione valida da punto di vista sia tecnico che economico.

In questo contesto, una sezione del conduttore leggermente più grande può offrire vantaggi economici grazie alla riduzione delle perdite ohmiche e alla minore generazione di calore. L'investimento aggiuntivo viene spesso recuperato nel corso della vita del sistema. Al contrario, i cavi sottodimensionati possono far risparmiare sui costi nel breve termine, ma a lungo andare comportano maggiori perdite di energia e spese operative.

Un altro problema osservato è il trasferimento acritico di soluzioni collaudate a nuovi campi di applicazione. Ad esempio, l'esperienza acquisita con le applicazioni in c.a. viene talvolta applicata ai sistemi in c.c. senza un'adeguata verifica. Una progettazione precoce e specifica per l'applicazione aiuta a prevenire tali errori.

Una caratteristica dei prodotti di LAPP è che non vengono considerati in modo isolato. Soprattutto nelle applicazioni ad alte prestazioni, le combinazioni di cavi e connettori consentono connessioni più stabili nel lungo termine. Questa comprensione sistemica consente inoltre di integrare meglio i requisiti elettrici, meccanici e termici, a vantaggio dello sviluppo di cavi di alimentazione e dati altamente flessibili.

Un esempio concreto è il cavo di collegamento del motore ÖLFLEX FD Servo (Figura 1, a sinistra) con tecnologia zeroCM integrata, il cui design innovativo riduce le correnti di dispersione. Un'altra innovazione è il cavo Single-Pair Ethernet ETHERLINE T1 FD (Figura 1, a destra), che presenta un solo doppino intrecciato e consente un'infrastruttura di rete ininterrotta fino al livello di campo.

Figura 1: Esempi di cavi ÖLFLEX FD Servo (a sinistra) e ETHERLINE T1 FD (a destra) di LAPP. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Una sfida speciale: lo spostamento dei cavi nei portacavi

La scelta dei cavi adatti ai sistemi portacavi è particolarmente complessa, come spiegano gli esperti di Igus. I cavi progettati per il movimento continuo nei portacavi non sono soggetti a requisiti specifici standardizzati. Gli standard possono essere creati solo per applicazioni ben definite e limitate, come i cavi per gli impianti fotovoltaici. Per i portacavi, tuttavia, gli scenari applicativi sono troppo diversificati perché possa esserci un solo unico standard unificato. Non esiste nemmeno un unico cavo "universale" per le applicazioni con portacavi.

I clienti si trovano ad affrontare la sfida di navigare in un'ampia selezione di prodotti cosiddetti "compatibili con chainflex", che sono difficili da confrontare direttamente.

Un errore frequente è quello di scegliere un prodotto con materiale della guaina sbagliato. Molti pensano erroneamente che il PUR sia il miglior materiale di rivestimento per i portacavi. Pur trattandosi senza dubbio di una scelta eccellente per gli ambienti caratterizzati da un'alta presenza di olio o lubrificanti, il PUR spesso presenta un rischio di abrasioni nelle applicazioni a secco significativamente più elevato rispetto alle mescole di PVC appositamente formulate per il movimento continuo.

C'è anche un aspetto economico: come materia prima, il PUR è circa tre o quattro volte più costoso rispetto alle varianti in PVC di alta qualità. Un errore di valutazione può quindi causare sia problemi tecnici che costi inutili. La scelta del materiale della guaina deve sempre essere adattata all'applicazione specifica. Il PUR è ideale per gli ambienti con elevata presenza di olio, mentre il PVC è spesso l'opzione migliore e più economica negli ambienti nei quali l'esposizione all'olio è bassa o nulla.

Un altro problema sottovalutato è la selezione dei cavi senza risultati di test verificabili. Le schede tecniche possono promettere una durata in servizio "fino a 5 milioni di cicli", ma tali dichiarazioni mancano di chiarezza. In quali condizioni sono stati eseguiti i test? Le applicazioni in movimento nei portacavi variano notevolmente e i cavi non hanno le stesse prestazioni in tutte le condizioni. È quindi essenziale disporre di dati affidabili e trasparenti sulla durata.

Grazie a oltre 30 anni di attività continua di ricerca e sviluppo e di test approfonditi sui design e sui materiali dei cavi, Igus è ora in grado di fornire dichiarazioni di durata in servizio garantita per i cavi in movimento, calcolate e confermate su base specifica per ogni applicazione.

Tra i prodotti chiave dell'azienda c'è la serie CFCLEAN (Figura 2); si tratta di cavi progettati per applicazioni altamente dinamiche in ambienti con spazi estremamente limitati. La serie si distingue per il peso contenuto e il design compatto. Nello specifico, ha un peso inferiore del 30% e un diametro inferiore del 35% rispetto ai cavi inguainati tradizionali. I test di laboratorio hanno dimostrato una durata in servizio di 20 milioni di cicli, garantita dal produttore.

Figura 2: Esempio della serie CFCLEAN di Igus. (Immagine per gentile concessione di Igus)

L'approccio di sistema semplifica la complessità

Molti produttori confermano un chiaro spostamento dall'acquisto di componenti puri verso soluzioni integrate pronte per l'uso. Soprattutto nell'ingegneria meccanica e impiantistica, i clienti desiderano ridurre il numero di interfacce, le attività di coordinamento e i rischi operativi e di progetto.

HELUKABEL raccomanda un approccio strutturato: è essenziale innanzitutto definire chiaramente l'applicazione come statica o dinamica; quindi analizzare i profili di movimento, il raggio di curvatura, la distanza di percorrenza e la dinamica; valutare le condizioni ambientali; definire i requisiti elettrici per la trasmissione di alimentazione, segnale e dati; infine verificare gli standard pertinenti e i mercati di destinazione. Questo processo sistematico rivela rapidamente se è sufficiente un approccio basato sui soli componenti o se è opportuno ricorrere a una soluzione di sistema integrata per ridurre gli sforzi e i rischi.

Le condizioni di installazione hanno un'importanza critica. Anche i cavi delle catene portacavi di alta qualità possono subire danni se si superano i raggi di curvatura, se i cavi sono disposti in modo improprio o se i separatori e gli elementi di scarico della trazione sono progettati in modo errato. L'assemblaggio è spesso sottovalutato; connessioni difettose della schermatura, connettori inadatti o una lavorazione scadente possono portare rapidamente a guasti e problemi di EMC.

HELUCHAIN SYSTEM (Figura 3) di HELUKABEL rappresenta una soluzione di sistema coerente. Combina portacavi, cavi abbinati altamente flessibili, accessori e varianti facoltativamente preassemblate pronte per il collegamento in un pacchetto integrato, fornendo una soluzione coordinata e affidabile anziché componenti separati.

Figura 3: Esempio della combinazione di portacavi, cavi e accessori HELUCHAIN SYSTEM di HELUKABEL. (Immagine per gentile concessione di HELUKABEL)

Infrastrutture di rete

Con l'aumento delle velocità dati e la crescente connettività negli impianti industriali, l'infrastruttura di rete fisica sta acquisendo sempre più importanza. Belden affronta questo sviluppo con soluzioni Industrial Ethernet (Figura 4) per le moderne architetture di automazione. Gli switch con capacità in tempo reale che supportano i meccanismi TSN consentono una comunicazione deterministica in ambienti industriali difficili.

Figura 4: Le soluzioni Industrial Ethernet di Belden. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Il nuovo punto di accesso industriale di Belden fornisce Wi-Fi 7 deterministico con bassa latenza per applicazioni di robotica, logistica e automazione. Il design dual-band a 5 GHz/6 GHz, il roaming veloce e le funzioni di diagnostica integrate assicurano un'interazione fluida tra i diversi sistemi. Il pensiero a livello di sistema si estende quindi oltre il cavo stesso per includere l'infrastruttura associata.

Sostenibilità

La sostenibilità è diventata molto più importante nel mercato. I produttori di cavi stanno aumentando la trasparenza e forniscono una documentazione completa sui materiali e sui processi produttivi efficienti.

Tuttavia, la leva più importante per la sostenibilità rimane la durata in servizio: più a lungo un sistema funziona in modo affidabile e meno cicli di sostituzione sono necessari, migliore è il bilancio economico ed ecologico complessivo. I produttori stanno anche lavorando a materiali alternativi, come le bioplastiche o le plastiche parzialmente riciclabili.

Ancora una volta, la sostenibilità non deve essere valutata isolatamente a livello di singolo cavo, ma nell'interazione tra materiali, durata in servizio ed efficienza energetica all'interno del sistema nel suo complesso.