Punktgenaue Infrarotstrahlung Kunststoffoberflächen gezielt und effizient erhitzen

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

motan gmbh

Um Kunststoffoberflächen punktuell zu erwärmen, eignet sich die Infrarotstrahlung. Die Geräte sind günstig und deren Handhabung einfach. Doch der feste Fokus und die relativ geringe Leistungsdichte schränkten deren Anwendungsbereiche ein. Ein Zusatzreflektor konzentriert die Strahlung auf die gewünschten Bereiche, was die Leistungsdichte auf das Niveau von Halogenstrahlern bringt und zugleich die Strahlungshöfe abschwächt. Für Anwendungen mit großem Wärmebedarf bietet der Hersteller zudem ein Gerät mit größerem Fokusdurchmesser und stärkerem Infrarotstrahler an.

Zahlreiche Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung erfordern ein intensives und steuerbares Erwärmen in einem vorgegebenen Bereich. Dazu eignet sich insbesondere Infrarotstrahlung. Zumal deren Kosten für Energie und Anlage meist wesentlich niedriger sind als die von anderen Methoden, wie Umluftöfen oder Infrarot-Lasern. Zudem wird der Anwendungsbereich des lokalen Erwärmens zunehmend wichtiger. Seit einigen Jahren bietet der Infrarotwärme- und Messgerätehersteller Optron, Garbsen, dazu den fokussierenden IR-Spot mit einem Fokusdurchmesser von 10 bis 13 mm an. Es gibt aber viele ähnliche Anwendungsfälle, in denen sich dieser IR-Spot nicht eignet:

Der zu bestrahlende Bereich ist kleiner oder größer als der Fokusdurchmesser und

der umgebende Strahlungshof muss schwächer sein.

Die Leistungsdichte muss größer sein, da höhere Temperaturen erreicht werden sollen.

Der zu erwärmende Bereich ist schwer zugänglich und der IR-Spot ist zu groß.

Daher wurde im Rahmen eines Fördermittelprojektes, das der Europäische Fonds für regionale Entwicklung und das Land Niedersachsen mitfinanzierten, der IR-Spot weiterentwickelt. Nach Projektabschluss sind nun mehrere neue Produkte verfügbar, die ein wesentlich größeres Anwendungsfeld abdecken.

Mit Zusatzreflektor effizienter Fokussieren

Der bisher bei dem Hersteller verfügbare IR-Spot mit 150 W Leistung fokussiert mittels eines Infrarot-Reflektorstrahlers. Diese Geometrie lässt allerdings kein effizienteres Fokussieren zu, sodass ein relativ großer Strahlungsanteil ungenutzt bleibt oder sogar störend wirkt. Daher entwickelte das Unternehmen einen Zusatzreflektor, der an den IR-Spot angeflanscht wird. Dadurch nutzt der Spot einen größeren Energieanteil für das Erwärmen. Außerdem sinkt der Fokusdurchmesser auf sechs bis sieben Millimeter. Gleichzeitig steigt die Leistungsdichte im Fokus auf das Vier- bis Sechsfache. Das sind bis zu 140 W/cm2 beziehungsweise mehr als 40 Prozent der in der unmittelbaren Umgebung der Glühwendel vorliegenden Leistungsdichte. Damit erreicht der IR-Spot die mit Halogenstrahlern möglichen und physikalisch begründeten Grenzwerte nahezu.

Um die Wirkung des neuen Zusatzreflektors zu testen, brachten die Entwickler ein kleines metallisches Objekt in den Fokus und bestrahlten es. Es erhitzte sich bis auf eine Temperatur von etwa 1.100 °C. Weißes Papier entflammt innerhalb kürzester Zeit. Solche hohen Temperaturwerte beziehungsweise Bestrahlungsstärken lassen sich nur durch eine glatte und Infrarot-verspiegelte Reflektoroberfläche erreichen. Daher sind die Reflektoren auf der Innenseite mit Gold beschichtet. Diese reinigt der Anwender im Bedarfsfall mit einem weichen Tuch. Davor befindet sich ein Schutzglas, das den Innenbereich weitgehend vor kondensierenden Dämpfen schützt. Ein eingebauter Lüfter kühlt das Spot-Gehäuse.

Eine stärkere Strahlungsquelle für große Flächen

Neben dem Standardmodell hat der Hersteller einen größeren Infrarot-Strahler im Programm, der eine Strahlungsquelle mit 400 W besitzt. Der Hersteller entwickelte dessen Reflektor vollständig neu. Der Brennpunktdurchmesser beträgt hier etwa 10 mm, auch der Fokusabstand zur vorderen Reflektorkante ist mit 30 mm wesentlich größer. Wie beim IR-Spot mit Zusatzreflektor ist der Strahlungshof um den Fokusbereich relativ klein. Bei einem Bestrahlungsabstand von etwa 45 mm, bei einem Brennpunktabstand von 30 mm, vergrößert sich der bestrahlte Bereich auf einen Durchmesser von etwa 30 mm, wobei die Leistungsdichte dann zwar geringer, aber dennoch relativ hoch ist.

Die Spannungsversorgung für beide Modelle, dem größeren und dem kleineren, wird durch ein dimmbares Netzteil realisiert, welches in einem kompakten Tischgehäuse integriert ist. Die abgestrahlte Leistung lässt sich dabei über ein frontseitig angebrachtes Potentiometer einstellen. Um die Temperatur eines bestrahlten Objektes genauer einzustellen und zu halten, bietet der Hersteller das Gerät auch mit Temperaturregelung an.

Infrarotwellenleiter: Wärme, wo sie gebraucht wird

An den Zusatzreflektor des IR-Spots lassen sich verschiedene Infrarotwellenleiter anflanschen. Damit gelangt die Infrarotwärme auch in schwer zugängliche Bereiche. Die Standardlänge des Wellenleiters beträgt einen halben Meter. Ein schmaler Schlauch schützt ihn vor gegen mechanischen Beanspruchungen. Für den Abschluss des Wellenleiters stehen zwei verschiedene Bauformen zur Verfügung: Im einfachsten Fall kommt dafür eine dünne Quarzglasscheibe zum Einsatz mit einem Durchmesser von 12 mm am Wellenleiterende. In diesem Fall ist der heißeste Bereich direkt am Schutzglas. Um mögliche Verschmutzungen gering zu halten beträgt der empfohlene Mindestabstand 5 mm. Die zweite Bauform hat einen Optikaufsatz, der 21 Millimeter vor der Vorderkannte einen Brennpunkt erzeugt.

Als Alternative und Sonderbauform steht ein innen poliertes und vergoldetes Metallrohr (Heat-Pipe) zur Verfügung. Dieses ist starr und benötigt im Gegensatz zu den flexiblen Wellenleitern keine Halterung im Austrittsbereich. Auch diese Produktvariante ist relativ schmal. Die Heat-Pipe transportiert die Energie durch Mehrfachreflexion zick-zack-förmig an der metallisch verspiegelten Innenfläche entlang. Durch den damit verbundenen absorptiven Verlust beträgt die Maximallänge etwa 250 mm.

Infrarotstrahlungs-Anwendungen

Die Geräte sind für eine lokale Infrarotbestrahlung ausgelegt. In Kombination mit einem gesteuerten Bewegungssystem, zum Beispiel einem Industrieroboter, lassen sich auch kompliziertere Konturen, wie eine Gehäusekante aus Kunststoff, gezielt bestrahlen. Die Reaktionszeit der Strahlungsquelle von unter 1 s ermöglicht bei Bedarf einen geregelten Betrieb.

Die potentiellen Anwendungsfelder sind erst zum Teil erschlossen. Nach den bisherigen Erfahrungen bieten sich insbesondere die folgenden Anwendungsgebiete an:

Formen, Fügen und Verflüssigen von Kunststoffen, wie Polyamid, Polycarbonat oder Organoblechen

Trocknen von bestimmten Oberflächenbereichen, beispielsweise nach dem Lackieren oder um eingelagertes Wasser in der Umgebung eines sensiblen Klebebereiches zu beseitigen

Schnelleres Aushärten von Epoxidklebstoffen bei einer konstanten Temperatur

Weitere mögliche Anwendungen sind das Schrumpfen, Temperatur-Verträglichkeitsprüfungen sowie Tests und Prozesse im Labor.

Infrarotstrahlung im Detail

Infrarotstrahlung (IR) besteht wie das sichtbare Licht aus elektromagnetischen Wellen, wobei die IR-Wellenlänge größer ist. Trifft Infrarotstrahlung auf eine Oberfläche, wird sie dort mehr oder weniger stark absorbiert und dringt entsprechend tief in das Medium ein. Der Absorptionsgrad hängt von der spektralen Energieverteilung der Strahlung sowie dem Absorptionsverhalten der bestrahlten Oberfläche ab. Dabei werden nur die Bereiche direkt erwärmt, die die Strahlung erreicht. Die mögliche Temperatur hängt vom Absorptionsgrad, der Reflektivität, der lokalen Leistungsdichte der Infrarotstrahlung, der Expositionszeit sowie der an die Umgebung abgegebenen Wärmemenge (überwiegend Konvektion) ab. Auf diese Weise ist ein Erwärmen ohne direkten Kontakt von Wärmequelle und Objekt möglich.

Ein thermischer Strahler, zum Beispiel ein Halogenstrahler mit einer Glühwendel aus Wolfram, ist die klassische IR-Quelle. Dieser gibt seine Energie über einen relativ breiten Spektralbereich ab, wobei nur ein kleiner Anteil im sichtbaren Bereich liegt. Der weitaus größte Teil wird im Infrarotbereich abgestrahlt.