Isolation, revêtement et blindage

Le câble EXRAD 4/0 AWG mesure près de 1 pouce de diamètre et pèse 0,876 livre par pied. Le câble de 1 000 volts est doté d'une gaine en élastomère réticulé irradié (XLE) orange vif, d'un blindage tressé en cuivre étamé et d'une fine isolation interne XLE qui entoure 30 brins de fil de cuivre nu. Photo courtoisie Champlain Cable Corp.

La gaine extérieure de ces différents câbles a été refendue avec la découpeuse JackStrip 8310. Il gère un câble OD de 0,1 à 1 pouce jusqu'à 19,7 pouces de long. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Schleuniger Inc.

Les paires torsadées sont un type de blindage de câble en spirale. Les deux conducteurs isolés sont uniformément torsadés l'un autour de l'autre sur toute la longueur du faisceau afin de minimiser les interférences électromagnétiques provenant d'autres paires torsadées dans le câble. Photo courtoisie www.ecvv.com

Dans chaque véhicule hybride et électrique, il y a une pléthore de fils et de câbles. Tout cela est essentiel, mais seule une petite partie se démarque en raison de sa taille, de son apparence ou de ses capacités à haute tension.

Le câble de batterie EXRAD 1 000 volts (classé UL 758) est remarquable pour ces trois raisons. Fabriqué par Champlain Cable Corp., le câble 4/0 AWG mesure près de 1 pouce de diamètre et pèse 0,876 livre par pied. Sa gaine en élastomère réticulé irradié (XLE) n'a que 0,08 pouce d'épaisseur mais est suffisamment solide pour isoler tout courant vagabond. La couleur orange vif de la gaine signifie qu'EXRAD est conforme aux normes européennes pour les câbles haute tension.

Sous la gaine se trouve une tresse de blindage en cuivre étamé. Il offre une couverture de 95 % de la fine isolation interne XLE du câble (0,12 pouce d'épaisseur), qui entoure 30 brins de fil de cuivre nu. Plus important encore, le blindage empêche simultanément l'émission d'ondes d'impulsions électromagnétiques (EMP) et protège les conducteurs de données et de signaux des interférences électromagnétiques externes (EMI).

Tous les câbles manipulés par les fabricants de harnais ne sont pas aussi épais ou complexes que l'EXRAD. Mais, chaque câble - et fil - nécessite la gaine, le blindage et l'isolation appropriés pour obtenir des performances optimales.

Souvent, les fabricants de harnais n'ont pas leur mot à dire dans la sélection finale de ces matériaux de protection. Dans ces situations, ils s'assurent que le produit livré est conforme au bon de commande et coupent, dénudent ou terminent correctement le fil ou le câble.

Parfois, cependant, un fabricant de harnais reçoit les spécifications OEM et doit choisir un fournisseur de fils ou de câbles. En comprenant parfaitement les différents matériaux utilisés pour isoler les fils, les gaines et les câbles de blindage, le fabricant est mieux préparé à sélectionner le meilleur fil ou câble pour toute application.

Parce que l'isolation et les vestes sont généralement faites des mêmes matériaux, les deux termes sont souvent utilisés de manière interchangeable. C'est une erreur, car les mots ont des significations distinctes.

"L'isolation fait référence au matériau en contact direct avec le conducteur, qu'il soit solide ou toronné", explique Rich Goyette, responsable de l'ingénierie et de la qualité chez EIS Wire & Cable. "Son but est électrique, c'est-à-dire de garder la chaleur et l'électricité à l'intérieur du fil.

"La gaine du câble, ou gaine extérieure, est le matériau mince qui recouvre les conducteurs isolés. Ses deux fonctions sont mécaniques : maintenir le câble ensemble et protéger les fils isolés des flammes, de l'huile, du gaz ou de l'eau, selon l'endroit où le câble fini le harnais est installé."

Au début du 20e siècle, les fabricants de fils et de câbles isolaient les fils en les enveloppant dans du tissu et en laquant le tissu pour le rendre résistant aux flammes et à la chaleur, note Goyette. Peu de temps après, d'autres matériaux ont été utilisés pour l'isolation, notamment du ruban de papier et des matériaux à base d'huile.

Avec le développement des normes de sécurité incendie pour la fabrication après la Seconde Guerre mondiale, les fils ont commencé à être isolés avec des matériaux thermoplastiques ou thermodurcissables. Toutes les isolations et les vestes continuent d'être faites de l'un ou l'autre de ces deux types de matériaux.

Les thermoplastiques peuvent être fondus et remodelés à plusieurs reprises car ils sont composés de chaînes moléculaires linéaires qui se séparent une fois la chaleur appliquée. Les matériaux d'isolation thermoplastiques les plus courants comprennent le chlorure de polyvinyle (PVC), le polyéthylène (solide ou mousse), le polypropylène, le polyuréthane, le nylon, le difluorure de polyvinylidène (PVDF), l'éthylène propylène fluoré (FEP), le PTFE (téflon), le téflon FEP, le tétrafluoroéthylène (TFE ) et l'élastomère thermoplastique (TPE), qui est traité comme du plastique mais qui a les propriétés et les performances du caoutchouc.

Les matériaux thermodurcissables sont moulés une fois et brûleront si la chaleur est continuellement appliquée. Pendant le processus de durcissement, les chaînes polymères d'un thermodurcissable se réticulent avec d'autres molécules pour devenir un caoutchouc naturel ou synthétique. C'est pourquoi un matériau thermodurcissable a parfois un XL (pour cross-link) dans son nom, comme XLPE pour polyéthylène réticulé. D'autres matériaux thermodurcissables courants sont le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) et le caoutchouc de silicone.

"Là où la taille et le poids ne sont pas critiques, le PVC est le matériau d'isolation le plus populaire car il est bon marché, adhère bien, ne se désagrège pas et est facile à dénuder et à terminer", déclare Scott Ziegler, chef de produit pour Lapp Group USA. "Le polypropylène et le polyéthylène sont beaucoup plus résistants que le PVC et ne s'étirent pas beaucoup. Le polyuréthane est très résistant à l'abrasion et le téflon offre une excellente stabilité thermique et des propriétés électriques."

En ce qui concerne les matériaux thermodurcissables, le caoutchouc est fréquemment utilisé dans les gaines de câbles et parfois dans l'isolation des fils où le harnais est exposé à une chaleur intense pendant une longue période. Le néoprène (un caoutchouc synthétique) est très doux et difficile à couper.

Les équipementiers se concentrent sur deux facteurs clés lors de la sélection des matériaux d'isolation et de gainage. Le premier concerne les conditions environnementales. Si un câble ou un faisceau de câbles est soumis à une chaleur extrême, au froid, à l'humidité, aux produits chimiques ou à l'abrasion, il nécessite un matériau d'isolation robuste. Pris ensemble, les matériaux thermoplastiques et thermodurcissables les plus courants offrent une bonne à excellente résistance à l'abrasion et sont efficaces dans une plage de températures allant de -67 à 392 F.

Un autre facteur est la quantité et la vitesse du courant ou de la tension que le fil ou le câble doit transporter. Tous les matériaux ne sont pas capables de supporter des courants élevés pendant de longues périodes. Pour les signaux à vitesse plus élevée, un matériau en mousse (comme le polyéthylène) est préféré. En injectant un produit chimique ou un gaz dans le matériau, un fournisseur crée des bulles d'air dans l'isolant. Ces bulles permettent le passage de signaux à grande vitesse sans être gênés.

L'épaisseur de l'isolation et de la gaine peut aller de 0,5 mil à plusieurs centaines de mils et est déterminée par la tension spécifiée. En règle générale, un fil plus épais porte une tension plus élevée et nécessite une isolation plus épaisse.

L'isolation et la gaine sont disponibles en plusieurs couleurs. Le processus de coloration consiste à mélanger un colorant avec le composé de résine au cours de l'étape d'extrusion primaire. Le colorant n'a pas d'impact négatif sur la coupe ou le décapage. Cependant, parce que le colorant est un contaminant, une trop grande quantité peut causer des points faibles et des pannes électriques dans l'isolation ou la gaine, dit Goyette.

"Une isolation et une gaine cohérentes sont essentielles à la capacité du fabricant de faisceaux à couper et à dénuder les fils et les câbles", note Linda White, responsable de la ligne de produits pour les câbles industriels chez Belden Inc. "Changer fréquemment de fournisseurs ou utiliser ceux connus pour changer de dimensions afin de réduire les coûts sans l'avertissement peut créer des ravages imprévus sur une ligne de production automatisée. Il est toujours plus facile de traiter un câble de qualité car sa gaine extérieure a des dimensions constantes et est ronde, non alambiquée.

L'adhérence de l'isolant aux conducteurs peut également entraîner des problèmes de dénudage, explique Frank Koditek, ingénieur d'applications sur le terrain pour les câbles industriels chez Belden. Cela est particulièrement vrai pour l'isolation en caoutchouc.

Pour faciliter le dénudage, les fournisseurs peuvent placer un ruban séparateur très fin en polyester transparent entre l'isolant et le conducteur. Une autre option consiste à appliquer un agent de démoulage sur le conducteur. L'agent sèche rapidement, laissant une trace résiduelle sur le fil.

L'histoire du blindage des câbles remonte au début du XXe siècle et à la nécessité pour les utilisateurs de téléphone de bloquer les émissions de radio entendues sur la ligne téléphonique. Pour éliminer ces interférences de radiofréquence (RFI), les ingénieurs du téléphone ont essayé d'envelopper la ligne avec des fils de mise à la terre. Cela a fonctionné pour les installations fixes, mais lorsque la ligne a été soumise à une flexion, les fils enroulés se sont séparés et les interférences sont revenues.

Finalement, les ingénieurs ont commencé à tresser du fil de guirlande, puis de simples brins de fil, sur les conducteurs des cordons de l'écouteur du téléphone pour réduire les RFI. Ce processus est connu sous le nom de blindage servi.

Aujourd'hui, les ingénieurs de conception de câbles doivent encore faire face aux RFI, ainsi qu'aux EMI et EMP. Pour bloquer ces interférences et optimiser les performances des câbles, les ingénieurs s'appuient sur plusieurs types de blindage.

"Le blindage a un objectif principal différent pour les câbles électroniques que pour les câbles d'alimentation", explique Eric Wall, directeur de l'ingénierie pour les fils et câbles américains chez Anixter Inc. "Dans les câbles électroniques, vous essayez généralement de protéger les signaux de bas niveau à une large échelle. gamme de fréquences, jusqu'à la gamme des gigahertz. Pour le câble d'alimentation, vous créez un plan de masse pour une onde sinusoïdale de puissance à fréquence unique (par exemple, 60 hertz). Le blindage égalise la contrainte sur l'isolation et donne au courant de défaut un chemin vers l'équipement, qui peut isoler le circuit en cas de défaut. Cela améliore la sécurité et prolonge également la durée de vie du câble.

Le blindage servi est encore utilisé aujourd'hui et la flexibilité est son principal attrait. Le blindage est facile à dérouler et à terminer, mais a tendance à être relativement inductif car il est enroulé autour du conducteur. En règle générale, le blindage est serti sur une cosse ou une borne de terminaison. Il est souvent utilisé dans les applications audio.

Un autre type de blindage en spirale est les paires torsadées, qui ont été inventées et brevetées par Alexander Graham Bell en 1881. Les deux conducteurs isolés sont uniformément torsadés l'un autour de l'autre sur toute la longueur du faisceau pour minimiser les interférences des autres paires torsadées dans le câble.

Les conducteurs peuvent être solides ou toronnés. Un conducteur solide a moins d'atténuation et couvre de plus longues distances, mais un conducteur toronné est très flexible pour se plier autour des coins.

Le blindage tressé est serré mais flexible, selon Goyette. La tresse de blindage est formée de groupes de fils de petit calibre sur bobines. Ceux-ci sont posés côte à côte dans la machine à tresser, puis tissés les uns sur les autres. Le blindage tressé couvre généralement 95 % du fil isolé.

Les tresses en bande sont constituées de rubans solides de matériau conducteur pour fournir une surface plus uniforme. Ceci est un avantage à très hautes fréquences et, lorsqu'il est combiné avec d'autres types de blindage, forme une barrière EMI très efficace.

Les fabricants de faisceaux ont souvent besoin de détresser et de couper le blindage tressé du câble blindé dans le cadre du processus de terminaison. Pete Doyon, vice-président de la gestion des produits chez Schleuniger Inc., explique que son entreprise a développé un prototype de machine (ShieldCut 8100) pour rapidement détresser le bouclier tressé et le couper à une longueur préprogrammée. Ses utilisateurs finaux ciblés comprennent les fabricants militaires et aérospatiaux.

La découpeuse JacketStrip 8310 est actuellement disponible chez Schleuniger. Cette machine comporte des lames rotatives qui coupent axialement et radialement la gaine extérieure des câbles ovalisés et multiconducteurs sans endommager le blindage ou les conducteurs internes. Il gère un câble OD de 0,1 à 1 pouce jusqu'à 19,7 pouces de long. La machine à refendre semi-automatique offre un fonctionnement simple et des temps de cycle courts.

Les blindages en feuille sont constitués d'un film plastique flexible métallisé très fin (0,0003 pouce) qui est enroulé en spirale autour du fil isolé. Parce qu'il est en aluminium, le film doit être serti et est souvent combiné avec un fil de drain non isolé (déviateur de courant) enroulé dans un câble. Le fil de drain entre en contact avec la feuille et est connecté à la terre à l'extrémité de la source du faisceau pour annuler les EMI.

Pour obtenir une efficacité de blindage de 100 %, une tresse lâche peut être placée sur la feuille. Cette méthode fonctionne bien tant que les câbles ne sont fléchis que pendant l'installation et la maintenance.

Les paires torsadées sont également disponibles blindées (STP) avec une feuille métallique pour une protection supplémentaire contre les interférences électromagnétiques excessives. Une autre variante, appelée paires torsadées en feuille, ne présente aucune isolation mais repose uniquement sur la feuille pour le blindage.

Une dernière option est un blindage solide. Ce tube métallique rigide ou semi-rigide est en cuivre ou en aluminium et entoure le conducteur isolé. Il offre une protection à 100 % contre les EMI. Les câbles plus gros peuvent incorporer des tubes de type ondulé.

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.