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Heraeus1Titelstory

Flugzeuge und Automobile sollen leichter werden, um Kraftstoff zu sparen, für die Fahrgäste müssen sie jedoch genauso sicher bleiben. Rotorblätter von Windenergieanlagen sollen leicht, aber gleichzeitig sehr belastbar sein. Infrarot-Wärme, erzeugt durch Infrarot-Strahler von Heraeus Noblelight, kann helfen diese Anforderungen zu erfüllen, indem sie bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserverstärkten Kunststoffen die Prozesszeiten verkürzt.

 



Faserverstärkte Kunststoffe sind moderne Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus Kunststoffen wie Polyphenylsulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Epoxidharzen (EP), in die Carbon- oder Glas-Fasern eingebettet wurden. Die Fasern machen das Bauteil fest und steif, die Kunststoffmatrix kann die auftretende Energie absorbieren. Viele hoch belastete Bauteile im Auto, wie Lenkrohre, die hohen Torsionskräften ausgesetzt sind, oder auch Elemente für den Seitenaufprallschutz werden aus diesen Kompositen hergestellt. Bei der Herstellung solcher modernen Bauteile kommen Infrarot-Systeme zum Einsatz, weil sie diese Materialien schnell und homogen erwärmen und so die Prozesszeiten verkürzen.

Heraeus2Komposite sind verschieden, je nach ihrem späteren Einsatz. So werden kurzfaserverstärkte Duroplaste für große Karosserieteile eingesetzt, langfaserverstärkte Thermoplaste für hoch belastete Strukturbauteile oder gewebte Rovings für Windflügel.  Allen sollen kosteneffizient hergestellt werden. Bei der Fertigung von Kompositmaterialien werden verschiedene Wärmeprozesse benötigt, etwa zum Aushärten der duroplastischen Kunststoffe. Thermoplasten werden erwärmt, um sie zu verschweißen, zu formen oder umzuformen. Faservolumengehalt und Faserorientierung haben einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeleitung, daher ist die homogene Erwärmung von Kompositmaterialien nicht trivial.

Infrarot-Strahler heizen schnell und homogen

Bisher führt man die erforderlichen Wärmeprozesse häufig mit konventionellen Heißluftöfen durch. Die Infrarot-Wärmetechnologie bietet dagegen einige Vorteile. Infrarot-Strahler zeigen sehr kurze Reaktionszeiten innerhalb von Sekunden, das macht Wärme regelbar und hilft, Energie richtig zu dosieren. Wird die Wärmequelle nur dann angeschaltet, wenn sie gebraucht wird, spart das Energie.

Infrarot-Systeme sind relativ kompakte Wärmeeinheiten, die große Werkteile am Band erwärmen, ohne dass ein großvolumiger Ofen für das komplette Teil benötigt wird. Infrarot-Strahlung kann genau an Produkt und Prozess angepasst werden, moderne numerische Methoden wie das "Ray tracing" oder "Computational Fluid Dynamics" helfen zusätzlich, große Flächen homogen zu erwärmen, indem beispielsweise die Energieverteilung auf der Fläche optimiert wird.

Komposite verschweißen mit Infrarot-Wärme

Ein britisches Unternehmen setzt Behälter aus glasfaserverstärktem Polypropylen für die Wasseraufbereitung ein. Die zylindrischen Wassertanks werden aus zwei Hälften gefertigt, die dann durch kurzwellige Infrarot-Strahlung miteinander verschweißt werden. Die Glasfasern sorgen dafür, dass die Behälter möglichst robust sind, denn sie sollen im Gebrauch einem Innendruck von etwa 10 bar standhalten können. Sie sind aber auch der Grund dafür, dass herkömmliches Schweißen mit Kontaktwärme schwierig durchzuführen ist. Die Glasfasern im Kunststoff werden durch das Anschmelzen der Oberfläche frei gelegt und beschädigen die heißen Kontakt-Platten.

Infrarot-Strahler übertragen dagegen Energie kontaktfrei und erzeugen die Wärme erst im Material. Es kann also kein Material an der Wärmequelle hängen bleiben. Ein Modul mit sechs kurzwelligen Infrarot-Strahlern erhitzt die Enden der vorgefertigten Zylinderhälften, dann wird das Modul automatisch herausgefahren. Die Teile mit den erwärmten, weichen Enden werden zusammengedrückt und so verschweißt.

Tests haben gezeigt, dass diese Verbindung auch unter sehr hohem Druck hält, bis zu 28 bar wurden angelegt, ohne die Verbindung zu zerstören. Durch die kontaktfreie Erwärmung muss die Wärmequelle nicht ständig gereinigt werden. Der gesamte Prozess ist sehr energieeffizient, denn der Infrarot-Strahler ist nur dann angeschaltet, wenn Wärme benötigt wird.

Energieeffizienz durch exakte Anpassung

Die Infrarot-Wärmetechnologie bietet einige Möglichkeiten, bei industriellen Wärmeprozessen den Energieeinsatz zu optimieren: Sie bietet eine hohe Wärmeübertragungskapazität, kontaktfreie Wärmeübertragung und einen  hohen Wirkungsgrad. Durch die optimale Wellenlänge ergibt sich eine  effiziente Energieübertragung. Da sie sich an die Form der Produkte anpassen lässt, ergibt sich einen örtlich begrenzten Energieeinsatz. Zudem erhält der Anwender einen zeitlich begrenzten Energieeinsatz durch die schnellen Reaktionszeiten. Infrarot-Wärme wird schließlich immer dann eingesetzt, wenn Wärmeprozesse mit besonderen Vorgaben an Platz, Zeit oder Qualität gelöst werden sollen.

Titelbild: Infrarot-Strahler beim Verschweißen glasfaserverstärkter Druckbehälter


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