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Effiziente Infrarot-Wärme für neuartige Verbundwerkstoffe

Infrarot-Strahler helfen Prozesszeiten zu verkürzen. Flugzeuge und Auto- mobile sollen leichter werden, um Kraftstoff zu sparen, für die Fahrgäste müssen sie jedoch genauso sicher bleiben. Rotorblätter von Wind- energieanlagen sollen leicht, aber gleichzeitig sehr belastbar sein. Infrarot- Wärme kann helfen, diese Anforderungen zu erfüllen. Faserverstärkte Kunststoffe sind moderne Verbundwerkstoffe; sie bestehen aus Kunst- stoffen 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 ho- mogen erwärmen und so die Prozesszeiten verkürzen.

Komposite sind verschieden - je nach ihrem späteren Einsatz. Kurzfaserverstärkte Duroplaste für grosse Karosserieteile, langfaserverstärkte Thermoplaste für hoch belastete Strukturbauteile oder gewebte Rovings für Windflügel. Allen gemeinsam ist, dass sie möglichst kosteneffizient hergestellt werden sollen. Bei der Fertigung von Kompositmaterialien werden verschiedene Wärmeprozesse benötigt; unter anderem zum Aushärten der duroplastischen Kunststoffe. Thermoplaste werden erwärmt, um sie zu verschweissen, zu formen oder umzuformen. Faservolu- mengehalt 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. 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. Wenn die Wär- mequelle nur dann angeschaltet sein muss, wenn sie gebraucht wird, spart man Energie. Infrarot-Systeme sind relativ kompakte Wärmeeinheiten, die grosse Werkteile am Band erwärmen, ohne dass ein grossvolumiger Ofen für das kom- plette 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.
 
WISAG - Erwärmung von Kompositen
Erwärmung von Kompositen

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 ver- schweisst 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.
 
WISAG - Infrarot-Strahler helfen glasfaserverstärkte Druckbehälter zu verschweissen
Infrarot-Strahler helfen glasfaserverstärkte Druckbehälter zu verschweissen

Energieeffizienz durch exakte Anpassung
Die Infrarot-Wärmetechnologie bietet einige Möglichkeiten, bei industriellen Wär- meprozessen den Energieeinsatz zu optimieren:
• hohe Wärmeübertragungskapazität
• kontaktfreie Wärmeübertragung
• hoher Wirkungsgrad
• effiziente Energieübertragung durch die optimale Wellenlänge
• örtlich begrenzter Energieeinsatz durch Anpassung an die Form der Produkte
• zeitlich begrenzter Energieeinsatz durch schnelle Reaktionszeiten

Infrarot-Wärme wird immer dann eingesetzt, wenn Wärmeprozesse mit besonde- ren Vorgaben an Platz, Zeit oder Qualität gelöst werden sollen.

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