Digitale Zwillinge helfen dabei, elektrische, mechanische und thermische Parameter zu erhalten.

Digitale Zwillinge helfen dabei, elektrische, mechanische und thermische Parameter zu erhalten. Das hilft auch Steckverbindern (Bild: Molex)

Die Kunst der Verbindungstechnik

Einen Steckverbinder zu entwickeln, der mehr Strom oder Daten transportieren kann, mag einfach erscheinen. Doch wie bei jedem anderen Design-Problem m√ľssen auch in der Verbindungstechnologie Kompromisse zwischen Variablen eingegangen werden, die sich oft widersprechen. Die wichtigsten Variablen f√ľr jeden Steckverbinder sind:

  • Signalintegrit√§t und Leistungsqualit√§t
  • Daten√ľbertragungsrate und/oder Nennleistung
  • W√§rmemanagement
  • Formfaktor, Gr√∂√üe und Gewicht

Die Betonung einer Variablen geht dabei oft zulasten anderer. Bei Anwendungen mit h√∂herer Leistung m√ľssen Ingenieure z. B. die hierdurch zus√§tzlich erzeugte W√§rmeenergie ber√ľcksichtigen. H√∂here Geschwindigkeiten √ľber ein Kabel oder ein drahtloses Ger√§t k√∂nnen zu mehr Rauschen und weniger Signal f√ľhren. Einen Eindruck von der Zukunft des Steckverbinder-Designs gewinnt man schon, wenn man die Bem√ľhungen im Bereich Miniaturisierung betrachtet. Ingenieure sind hier gefragt, W√§rme, Gewicht, Leistung und Daten in immer kleineren Formfaktoren in Einklang zu bringen.

Vorhersage der elektrischen Performance

Wie wird die Entwicklung neuer Hardware-Komponenten im Jahr 2030 aussehen? Das Team f√ľr Predictive-Engineering-Simulationen bei Molex hat vor Kurzem an einem Pilotprojekt zur Entwicklung von MX-DaSH-Steckverbindern mitgearbeitet. Dieser Ansatz bietet eine Vorschau auf die enormen Ver√§nderungen, die in der Produktentwicklung bevorstehen. Das Team unterst√ľtzt Kunden aus der Transportbranche, bei den Variablen in ihren kundenspezifischen Komponenten das richtige Gleichgewicht zu finden.

Der Ansatz des pr√§diktiven Engineerings hat seinen Ursprung in Transportanwendungen, bei denen Baugruppen von Fahrzeugteilsystemen in einem virtuellen Raum zusammengef√ľgt werden. Diese 3D-Teile, die als ‚Äědigitale Zwillinge‚Äú bezeichnet werden, sind mit der gesamten simulierten Physik des physischen Objekts ausgestattet. Die Software-Simulation kann dabei Einblicke in die elektrische, mechanische und thermische Performance eines Produkts geben ‚Äď lange bevor ein physischer Prototyp hergestellt wird.

Bei der pr√§diktiven Analyse k√∂nnen verschiedene Stressfaktoren aufgrund von Umwelteinfl√ľssen eingef√ľhrt oder die Abnutzung √ľber die gesamte Lebensdauer nachgestellt werden. Das Team hat Fortschritte dabei gemacht, einen einzelnen Steckverbinder zu simulieren, der die Auswirkungen dieser Stimuli auf die Leistungs- und Signalqualit√§t demonstrieren kann. Ebenso k√∂nnen Ingenieure an einem Steckverbinder-Design eine Dimensions√§nderung vornehmen und messen, wie diese sich auf das thermische Profil oder die mechanische Langlebigkeit des Produkts auswirken w√ľrde.

Was sind die nächsten Entwicklungen bei digitalen Zwillingen?

Durch die weitere Entwicklung der digitalen Zwillinge wird es möglich sein, mit dem Konzept die Performance einer größeren Zahl von Faktoren zu validieren, darunter die strukturelle Integrität, das Gewicht, die Optimierung der Gehäusegröße, den Nennstrom, elektromagnetische Störungen (EMI), die Hochspannungssicherheit, ergonomische Montage und die Wartungsfreundlichkeit.

Obwohl sich das pr√§diktive Engineering noch in einem fr√ľhen Entwicklungs-Stadium befindet, hat es das Potenzial, alle derzeitigen Vorstellungen von Produktentwicklung zu ver√§ndern. F√ľr innovative Verbindungstechnik-Designer ist vollfunktionelles pr√§diktives Engineering die ultimative L√∂sung.

In naher Zukunft werden digitale Zwillinge wahrscheinlich die gesamte Baugruppe eines Anwendungsprodukts umfassen, sodass Ingenieure die Interaktionen in der gesamten Anwendung verfolgen k√∂nnen. Ingenieure k√∂nnen die Performance-F√§higkeiten genau bestimmen, k√∂nnen vor der Produktion Probleme erkennen und beheben, und erhalten w√§hrend der gesamten Lebensdauer eines elektronischen Produkts wertvolles Feedback √ľber die Nutzung. K√ľnstliche Intelligenz (KI) kann neuartige Strategien entwickeln und ein pr√§zises Gleichgewicht zwischen W√§rmemanagement, Performance, Gewicht und Formfaktor ermitteln.

Kontaktlose Konnektivität bietet hohe Zuverlässigkeit und große Robustheit.
Kontaktlose Konnektivität bietet hohe Zuverlässigkeit und große Robustheit. (Bild: Molex)

Digitale Zwillinge k√∂nnen bei deren Fehlersuche vor Ort Techniker begleiten, die mithilfe von Augmented-Reality (AR-) -Brillen ein ‚ÄěR√∂ntgenbild‚Äú komplexer Maschinen betrachten k√∂nnen. Ebenso wird die virtuelle Realit√§t (VR) es Konstrukteuren erm√∂glichen, die √∂rtliche Infrastruktur zu verstehen und Fehleranalysen durchzuf√ľhren, indem diese aus der Ferne einen virtuellen Standort ‚Äěbetreten‚Äú. Ob wir dies im k√ľnftigen Design von Steckverbindern erleben werden, wird die Zeit zeigen.

Im Laufe der Zeit k√∂nnten sich digitale Zwillinge auch als so realit√§tsgetreu erweisen, dass die Simulationen zum Gew√§hrleisten der Produktkonformit√§t physische Prototypen ersetzen k√∂nnen. Man stelle sich vor, eine 15-min√ľtige Demonstration eines Steckverbinders in einer Simulation w√ľrde einen 6-w√∂chigen Prozess mechanischen Pr√ľfens und Prototypenbaus ersetzen.

Das Endergebnis k√∂nnte eine erhebliche Verk√ľrzung der Design-Zyklen sein. Wissen Produktentwickler, wie die verschiedenen Variablen eines Steckverbinders zusammenwirken, k√∂nnen sie im Hinblick auf Miniaturisierung, Stromqualit√§t und Kosteneffizienz neue Durchbr√ľche erzielen.

Trends, die den Steckverbinder der Zukunft bestimmen

Wie werden sich Steckverbinder in den verbleibenden Jahren des Jahrzehnts ver√§ndern? Hier einige Markttriebkr√§fte, die die Variablen des Steckverbinder-Designs unter Druck setzen ‚Äď mit Beispielen von Molex-Innovationen, die schon in der Entwicklungs-Pipeline warten:

1. Höhere Datenraten

Die steigenden Datenraten werden sich aus den steigenden Erwartungen der Verbraucher und aus der Ausweitung von KI- und Internet-of-Things (IoT-) -Anwendungen ergeben. Der Innovationsdruck in Bezug auf die Daten√ľbertragungsraten wird anhalten und dort zum Tragen kommen, wo der Engpass am gr√∂√üten ist ‚Äď sei es im Rechenzentrum, Grenzbereich oder an √úbertragungspunkten.

Die Erh√∂hung der Geschwindigkeit von Verbindungen und Verkabelungen bringt erh√∂hte Risiken f√ľr die Signalintegrit√§t mit sich. Ein Hybridkabel, das sowohl aus Glasfaser als auch Kupferdraht besteht, ist eine M√∂glichkeit zur L√∂sung dieses Konflikts. Durch die Verwendung von Glasfasern zur √úbertragung von Datensignalen und von Kupferdr√§hten zur Strom√ľbertragung k√∂nnen Hybridkabel Strom √ľber gro√üe Entfernungen transportieren und zugleich Daten√ľbertragungen mit hoher Geschwindigkeit gew√§hrleisten.

In sieben Jahren wird ein Gro√üteil der Daten√ľbertragungsinfrastruktur nicht mehr mit 112 Gbit/s, sondern der doppelten Geschwindigkeit arbeiten. Molex hat ein erstes umfassendes Produktprogramm von 224-Gbit/s-PAM4 auf den Markt gebracht.

2. Höherer, schnellerer Stromdurchsatz

Es wird im kommenden Jahrzehnt nach M√∂glichkeiten gesucht werden, Energie von Speicherstationen auf portable Ger√§te zu √ľbertragen. Mit der zunehmenden Verbreitung von Batterien f√ľr Elektrofahrzeuge, Privathaushalte und Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien w√§chst die Nachfrage nach zuverl√§ssigen M√∂glichkeiten, diese Energie zu nutzen ‚Äď und das m√∂glichst schnell.

Die Antwort auf den Wunsch nach schnellerem Laden von Elektrofahrzeugen lautet mehr Leistung, jedoch erfordert das Erh√∂hen der Spannung eine √úberarbeitung der Konnektivit√§t sowohl in den Fahrzeugen als auch an den Ladestationen. Neue Designs m√ľssen zudem Sicherheitsrisiken und thermische Effekte ber√ľcksichtigen.

Molex reagiert hierauf mit hoch leistungsf√§higen Stromschienen-, Steckverbinder- und Kabelkonfektionsl√∂sungen, die speziell f√ľr hohe Spannungen konstruiert wurden. Innovationen wie eingebettete Sensoren in Stromschienen k√∂nnten bis 2030 an Elektrofahrzeug-Ladestationen allt√§glich sein.

3. Kleinere Komponenten

Der Trend zur Miniaturisierung setzt sich in vielen Branchen fort, vor allem in den Bereichen HF-/Drahtlosgeräte, Automobil, Verbraucherelektronik, Rechenzentren und Edge Computing.

Konstrukteure m√ľssen sich der Herausforderung stellen, kleinere Baugruppen mit h√∂herer Funktionsdichte zu entwickeln, da die Erwartungen der Benutzer an hohe Leistung in schlankeren, kompakteren und sogar noch robusteren Geh√§usen steigen. Das Engagement f√ľr die L√∂sung neuer Miniaturisierungsprobleme hat zu innovativen Verbindungsl√∂sungen gef√ľhrt, die die Funktionalit√§t erh√∂hen und gleichzeitig den Platzbedarf der Komponenten verringern.

4. Kontaktlose Konnektivität

Was ist der beste Steckverbinder f√ľr einen Industrieroboterarm mit einer Beweglichkeit von 360 Grad? Man k√∂nnte sagen: ‚ÄěEiner, der gar nicht da ist‚Äú. Kontaktlose Steckverbindungen bieten uneingeschr√§nkte Bewegungsfreiheit und machen das wiederholte manuelle Stecken und L√∂sen von Steckverbindungen √ľberfl√ľssig. Die √úbertragung von Energie und Signalen √ľber kurze Distanz durch magnetisch-induktive Kopplung hat in Branchen wie der Automobiltechnik, Industrie und Verbraucherelektronik hunderte potenzielle Anwendungen.

Obwohl es sich noch um eine recht neue Technologie handelt, bieten kontaktlose Verbindungslösungen verglichen mit mechanischen Steckverbindungen, die Möglichkeit höherer Zuverlässigkeit, größerer Robustheit und geringerer Kosten.

Schnelleres Laden von E-Fahrzeugen erfordert mehr Leistung. Das bedeutet wiederum eine Überarbeitung der Konnektivität in den Fahrzeugen und den Ladestationen.
Schnelleres Laden von E-Fahrzeugen erfordert mehr Leistung. Das bedeutet wiederum eine Überarbeitung der Konnektivität in den Fahrzeugen und den Ladestationen. (Bild: Molex)

√úbergreifende Innovationen

Der Begriff der Innovation steht f√ľr das Schaffen oder Erschlie√üen von Nutzen auf neue und andere Weise. Molex schafft Nutzen durch enge Zusammenarbeit mit den Anwendern; es bringt seine eigenen Engineering-Teams mit denen seiner Kunden zusammen, um die Anforderungen von heute zu erf√ľllen und sich auf die Notwendigkeiten der Zukunft vorzubereiten. Das verschafft einen Einblick in verschiedene Branchen und die M√∂glichkeit, die Anwender √ľber Verbindungsl√∂sungen, technische Durchbr√ľche und erfolgreiche Fertigungstechniken zu informieren, die von anderen Anwendungen adaptiert werden k√∂nnen. Schlie√ülich basieren viele der heutigen Trends auf schon existierenden L√∂sungen anderswo, oder sind Adaptionen solcher. Einige Beispiele:

  • Das Infotainment in Fahrzeugen ist ein Zusammenfluss beliebter Funktionen aus der Verbraucherelektronik und Daten√ľbertragungsinfrastruktur.
  • Medizintechnologie-Unternehmen haben miniaturisierte Diagnostikfunktionen verfeinert, die nun die Zukunft von Verbraucher-Wearables bestimmen.
  • Auch bedeutet die Konsumentisierung von Ger√§ten, dass Erfahrungen, die Benutzer mit beliebten Produkten wie Smartphones sammeln, auf andere Umgebungen √ľbertragen werden k√∂nnen. (neu)

 

Der Artikel beruht auf Unterlagen von Molex.

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