THT-Tailored Heating Technology

Die signifikante Reduzierung der CO2-Emmissionen stellt ein großes Gesellschaftsziel der nächsten Jahrzehnte dar. Konsequenter Leichtbau in der Automobilbranche und Luft- & Raumfahrt tragen ihren Teil zur Zielerreichung bei. Die hohe Nachfrage nach Leichtbauteilen führt zu hohen Preisen bei Carbonfaserhalbzeugen und deren Carbonfasern. Folgerichtig sollten diese Fasern nur dort zum Einsatz kommen, wo ihre herausragenden Materialeigenschaften auch benötigt werden. Aus Organotapes hergestellte Tailored Blanks (engl.: maßgeschneiderte Platine; Blechplatine als Halbzeug) verkörpern intelligenten Leichtbau durch lastpfadgerechte Orientierung der Fasern in Kombination mit einem hohen Grad an Automatisierbarkeit, durch beispielsweise Automated Fiber Placement (AFP). Aufgrund der belastungsgerechten Faserorientierung weist ein Tailored Blank typischerweise über die Fläche variierende Blechdicken und Lagenanzahlen auf. Das konsolidierte, flächige Tailored Blank wird vor dem Thermoformen auf Umformtemperatur erwärmt. Die variierende Wandstärke verursacht dabei eine inhomogene Temperaturverteilung. Die sogenannten Hot Spots (lokale Überhitzung), in Bereichen mit geringen Wandstärken, führen zur Degradation der thermoplastischen Matrix und zu Delamination des faserverstärkten Kunststoffs. Die Cold Spots führen hingegen zu schlechten Oberflächenqualitäten, einer unzureichenden Umformung und schlechter Maßhaltigkeit des Endprodukts.

THT-Tailored Heating Technology für Faser-Kunststoffverbunde

Zur Vermeidung dieser Problematik setzt die IBT in Ihrem am Markt etablierten Chargenofen ThermoLine-HEAT die verfahrenstechnische Neuentwicklung Tailored Heating Technology (THT) zur homogenen Erwärmung der Tailored Blanks ein. Der Ansatz der THT besteht im Gegensatz zu aktuellen Anlagen darin, den Wärmeeintrag entsprechend der Materialdicke örtlich zu variieren bzw. anzupassen. Nachfolgende Abbildung zeigt sowohl die typische Materialanhäufung bei Tailored Blanks als auch die Vorteile der neuen Technologie gegenüber bestehenden Erwärmungstechniken.

So werden Bereiche dünner Blechdicken nicht unnötig überhitzt und Bereiche starker Materialanhäufung erst ausreichend auf Umformtemperatur erwärmt. Erreicht wird dies durch eine zweidimensionale Pixelmatrix aus Infrarot-Spotstrahlern. So ergeben sich durch die THT eine höhere Prozesssicherheit, größere Flexibilität bei Produktwechseln und geringere Ausschussraten durch Vermeidung von Hot und Cold Spots.

Grundsätzlich lassen sich IR-Heizsysteme sehr fein steuern und regeln, da die IR-Strahler wesentlich reaktionsschneller als vergleichbare konvektive Systeme sind. Neben der Möglichkeit den Energieeintrag örtlich zu variieren, ist für eine hohe Produktqualität die Auswahl des passenden Infrarotstrahlers ebenso entscheidend. Allgemein unterscheiden sich Wärmestrahler auf Basis des Emissionsspektrums in kurzwelliges, (schnell) mittelwelliges und langwelliges Infrarot. Der passende Strahler kann über diese Eigenschaft auch entsprechenden Materialklassen und deren Absorptionsspektren zugeordnet werden. Elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsmaxima der Materialen (Resonanzeffekt) reduzieren die Wärmeverluste auf ein Minimum. Unter Umständen erfolgt die Strahlerauswahl auf Grundlage einzelner Anforderungen des angestrebten Prozesses, wie zum Beispiel eine besonders schnelle Aufheizung (hohe Leistungsdichte), der Reaktionsgeschwindigkeit oder Eindringtiefen (Durchwärmen des Bauteils oder Wärmeeintrag beschränkt auf die Oberfläche). Um den unterschiedlichsten Anforderungen Rechnung zu tragen, greift IBT auf das gesamte Spektrum der verschiedenen Strahlerarten zurück und setzt diese bedarfsgerecht ein.

Die einschlägigen Hersteller von Infrarotstrahlern haben geeignetes Know-How, um den verfahrenstechnischen Prozess vollumfänglich mit dem Anlagenbetreiber zu entwickeln. Infrarotstrahlerhersteller haben sich jedoch meist nur auf ein oder zwei Strahlertypen spezialisiert und bieten nicht das gesamte Portfolio an. An dieser Stelle ist der Interessenkonflikt zwischen Strahlerhersteller, Anlagenbauer und Anlagenbetreiber vorprogrammiert. Häufig wird der erforderliche thermische Prozess auf einen vorhandenen Strahlertyp angepasst, wodurch der Wärmebehandlungsprozess nicht das volle Potential der Infrarottechnik ausnutzt. Der thermische Prozess mit seinen speziellen Anforderungen bedingt die herstellerunabhängige Auswahl des bestgeeigneten Infrarotstrahlers in Abhängigkeit der zu behandelnden Materialien und der Einwirkzeit.

Dr. Eder: „Um den Anforderungen der Anlagenbetreiber und Prozesse gerecht zu werden, ist IBT in der Lage, auf das gesamte Spektrum der verschiedenen Strahlerarten zurückgreifen zu können und bedarfsgerecht, das benötigte Emissionsverhalten zur Qualitätsverbesserung einzusetzen und dabei Energie einzusparen. Vor allem wärmetechnisch schwierig beherrschbaren Produktionszyklen bietet die flexible Auswahl der Infrarotstrahler erweiterte Möglichkeiten.“

Stimmen alle Parameter, steigen Wirkungsgrad und Prozesssicherheit und der Ausschuss sinkt. Die IBT.InfraBioTech GmbH aus Freiberg ist ein etablierter Hersteller von Infrarot-Anlagentechnik und Spezialist für Infrarot-Strahlungswärme. Dabei tritt die IBT als Komplettdienstleister von der Anlagenplanung bis zur Installation und After Sales Service auf.