Infrarot-Wärmetechnik

Effiziente Infrarot-Wärme für die Kunststofftechnik

Elektrische und gaskatalytische Technologie richtig einsetzen. Wärme ist eines der wichtigsten „Werkzeuge“ in der Kunststoffverarbeitung: Folien tiefziehen, PET-Flaschen formen, Autoinnenverkleidungen vernieten, Lack auf Joghurtbechern trocknen oder Tankbehälter verschweißen – so unterschiedlich Kunststoffe und Kunststoffprodukte sind, so unterschiedlich sind auch die erforderlichen Wärmeprozesse bei ihrer Verarbeitung.

Infrarot-Strahler aus Quarzglas können dem Verlauf von Kanten oder Graten exakt nachgeformt werden. (Quelle: Heraeus Noblelight)

Infrarot-Wärmetechnologien können maßgeschneiderte Lösungen liefern, wenn man die richtige Technologie – gaskatalytische oder elektrische Systeme - wählt.

Elektrische Infrarot-Strahler arbeiten mit einem Heizleiter aus Metall oder Carbon im Inneren eines Quarzglasrohrs. Abhängig von der Temperatur des Heizleiters, gibt ein Infrarot-Strahler unterschiedlich viel Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen ab.

Gaskatalytische Infrarot-Strahler sind typischerweise besonders robust und zuverlässig. (Quelle: Heraeus Noblelight)

Gaskatalytische Strahler wandeln Erd- oder Propangas mit einem Platinkatalysators in Wasser und Kohlendioxid und setzen dabei mittel- bis langwellige Infrarot-Strahlung frei. Diese flammenlose Reaktion unterscheidet sich von herkömmlichen Gas-Infrarot-Systemen, bei denen das Gas verbrannt wird.

Beide Systeme weisen spezifische Vorteile auf, die sie jeweils für spezielle Anwendungen qualifizieren. Heraeus Noblelight hatte im Jahr 2014 die Geschäftsaktivitäten des US-amerikanischen Unternehmens Vulcan Catalytic Systems erworben. Das Unternehmen stellt gaskatalytische Infrarot-Systeme für industrielle Applikationen her. Damit werden beide Infrarot-Technologien aus einer Hand angeboten.

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Welche Strahler passen zu welchen Anwendungen?
Um einschätzen zu können, ob elektrische oder gaskatalytische Infrarot-Systeme für eine bestimmte Anwendung geeigneter sind, müssen die grundsätzlichen Eigenschaften berücksichtigt werden.

Elektrische Infrarot-Strahler:

Für das Tiefziehen eignen sich häufig gaskatalytische Infrarot-Systemen besonders gut. (Quelle: Heraeus Noblelight)
  • Hohe Wärmeleistung
  • Reaktionszeit wenige Sekunden
  • Wärme gezielt an Ecken, Kanten, Rändern
  • kurz- bis mittelwellig, erwärmt auch in der Tiefe

Gaskatalytische Infrarot-Systeme:

Handschuhkästen entgraten mit kleinen kurzwelligen Infrarot-Strahlern, die exakt an den Graten angeordnet sind. (Quelle: Heraeus Noblelight)
  • homogene Strahlungsverteilung führt zu gleichmäßiger Erwärmung großer Flächen
  • langwellige Infrarot-Strahlung für Oberflächen und hitzesensible Substrate
  • zuverlässige, robuste Wärmequellen

Beide Infrarot-Wärmetechnologien nutz elektromagnetische Wellen, die im Produkt Wärme erzeugen. Sie benötigen keine Übertragungsmedien wie Luft oder Gas und keinen direkten Kontakt zum Material. Dies bietet gleich mehrere Ansätze, die Wärme auf Produkt und Prozess abzustimmen.

Geformte Infrarot-Strahler helfen auch beim schnellen und prozesssicheren Kunststoffschweißen. (Quelle: Heraeus Noblelight)

Ein Teil der Infrarot-Strahlung wird im Material absorbiert, ein Teil wird reflektiert und der Rest durchdringt die Materialien. Dabei hat jedes Material sein eigenes Absorptionsspektrum, also den Bereich, in dem die elektromagnetischen Strahlen am besten aufgenommen werden. Trifft man diesen Bereich optimal, ist die Erwärmung des Materials erheblich schneller und effektiver.

Die Wellenlänge der Infrarot-Strahlung hat erheblichen Einfluss auf den Prozess. Die meisten Kunststoffe absorbieren am besten im mittel- bis langwelligen Bereich. Genau diese Wellenlängen geben gaskatalytische Heiz-Systeme ab. Elektrische Infrarot-Strahler emittieren vom sehr kurzwelligen Bereich bis zu mittleren Wellenlängen. Kurzwellige Infrarot-Strahlung kommt dann an Kunststoffen zum Einsatz, wenn der Prozess sehr schnell ablaufen soll oder die Strahlung tief in das Material eindringen muss.

Tiefziehen mit gaskatalytischer Wärme
Gaskatalytische Infrarot-Technologie wird beim Tiefziehen eingesetzt, um sehr große, komplex geformte Teile herzustellen, beispielsweise Wannen für Whirlpools oder transportable Toilettenhäuschen. Dafür wird eine thermoplastische Kunststoffplatte zwischen zwei oben und unten angeordneten gaskatalytischen Strahlern aufgeheizt, bis der Kunststoff so weich ist, dass er in die gewünschte Form gebracht werden kann. Sobald die Kunststoffplatte ausreichend aufgewärmt ist, kann sie über eine Vakuumform gelegt und dann tiefgezogen werden.

Das Eisbergmodell dient als Visualisierung der Kostensituation bei Nutzung der gaskatalytischen IR-Technologie. Offensichtliche Kosten durch Ausschuss, Nacharbeit und Wartungszeit einerseits und versteckten Kosten beispielsweise aus verlorenen – weil unzufriedenen – Kunden oder Überbestand soll die zuverlässige gaskatalytische IR-Technologie durch verbesserte Prozesskontrolle beim Tiefziehen von Kunststoff drastisch senken.

Bei der industriellen Produktion ist es wichtig, dass die verwendeten Heizquellen, gut kontrolliert werden können, damit die Wärme über der gesamten Platte genau zur vorgesehenen späteren Form passt. Wenn zu viele Wärme eingebracht wird, kann es zu dünnen und zu weichen Stellen kommen. Wird zu wenig erwärmt, kommt es zu Brüchen oder die gewünschte Geometrie wird nicht vollständig ausgeformt.

Mit Einsatz gaskatalytischer Infrarot-Wärme können Zykluszeiten verkürzt werden, weil die langwellige Strahlung optimal zur Absorption von Kunststoffen passt. Die Heizplatten werden entsprechend der Dicke der Kunststoffplatten angeordnet. Die Leistung der Heizplatten regelt eine angepasste Steuerung.
Erfahrungen zeigen laut Heraeus Noblelight, dass durch die bessere Kontrolle gegenüber konventionellen Heizsystemen eine Reduktion der Energiekosten bis 60 Prozent möglich ist. Darüber hinaus sollen die verringerte Ausschussrate und die bessere Prozesskontrolle die gesamten Betriebskosten verringern.

Energieeffizienz gaskatalytischer Systeme
Überall, wo bereits ein Gasanschluss vorhanden ist, kann über den Einsatz gaskatalytischer Infrarot-Öfen nachgedacht werden. Elektrischen Strom benötigen diese hauptsächlich zur Vorwärmung des Platinkatalysators. Bei dieser Technologie bleibt der verwendete Katalysator in der katalytischen Reaktion unverändert, unabhängig von der verbrauchten Menge. Die Vorheizelemente in jedem Strahler werden lediglich während des Systemstarts eingesetzt. Eine hohe Systemzuverlässigkeit minimiert Ausfälle und sorgt für konstante Leistung.

Die Nutzung der Gas-Pulse-Systeme von Heraeus in Verbindung mit einer SPS ermögliche eine präzise Steuerung. Bei schwacher Hitze, Leistung etwa 20 Prozent, also im Stand-by-Modus, liegt die die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Strahler zwischen 140 und 177 °C, während bei voller Last 454 bis 482 °C erreicht werden. Durch Gruppierung der Strahler in Zonen kann die Heizleistung stufenlos zwischen 20 und 100 Prozent variieren. Sobald ideale Wärmeprofile für verschiedene Produkte festgelegt wurden, können diese per SPS als „Rezept“ hinterlegt und bei Bedarf abgerufen werden. Diese präzise soll Prozesssteuerung gewährleisten, dass auch kritische Qualitätsanforderungen zuverlässig erfüllt werden. In der Summe seien mit der Vulcan IR-Technologie beim Tiefziehen Energiekosteneinsparungen bis 60 Prozent realistisch.

Spritzgussteile effizienter entgraten
Nicht jedes Kunststoffprodukt ist groß, flach und gerade, und nicht in jedem Prozess ist eine komplette großflächige Erwärmung gefragt. Konturen, Nieten, gebogene Teile oder Ränder und Grate sind eine große Herausforderung für jedes Wärmeverfahren. Elektrische Infrarot-Strahler können Ecken und Rändern jedoch exakt nachgeformt werden. Viele Produkte aus Kunststoff müssen entgratet werden, andere erhalten durch Nieten, Schweißen oder Kleben ihre endgültige Form. Infrarot-Strahler, die exakt an Produktkanten angepasst werden, unterstützen die Prozesse. Sie machen das Schweißen, Kleben oder Entgraten effizient und automatisierbar.

Bei technischen Kunststoffteilen lässt sich die Bildung von Graten auf Grund der Bauteilgeometrie nicht immer vermeiden. Grate müssen jedoch vor der weiteren Verarbeitung, beispielsweise Montagen Oberflächenveredelungen entfernt werden, denn sie zeichnen sich nach dem Kaschieren oder Lackieren unschön auf der Oberfläche ab. An scharfen Kanten kann es auch zu Kleberablösern kommen, da dem Kleber dann nicht genügend Fläche zum Vernetzen zur Verfügung steht. Grate werden mechanisch, mit Heißluft oder durch Infrarot-Strahlung entfernt.

Gemeinsam mit einem Automobilzulieferer konstruierte Heraeus Noblelight ein Infrarot-System, in dem kleine, kurzwellige Infrarot-Flächenstrahler arbeitenDas Verfahren wird erfolgreich bei Türgriffen und Handschuhkästen eingesetzt. Die kleinen Flächenstrahler lassen sich entlang der Kanten der dreidimensional geformten Produkte anordnen. Sie sind sehr gut steuerbar und übertragen relativ viel Energie in kurzer Zeit auf begrenzte Flächen. Installiert wurde eine Nennleistung von 10,4 Kilowatt. Die Entgratung der Produkte benötigt rund 5 Sekunden und ist so exakt reproduzierbar, dass der Prozess automatisiert werden konnte.

Im Vorfeld der Investitionsentscheidung berechnete das Unternehmen den Gesamtenergiebedarf pro Entgratungszyklus alternativ für den Einsatz von Heißluft und Infrarot-Strahlern. Laut dieser Berechnung stehen pro Zyklus 42,5 Wattstunden Energieverbrauch beim Heißluftsystem nur 8,7 Wattstunden der Infrarot-Strahler gegenüber. Nach der intensiven Analyse habe sich gezeigt, dass das Infrarot-System sich bei den untersuchten Stückzahlen bereits innerhalb eines halben Jahres amortisierte.

Automatisiertes Schweißen mit Infrarot-Wärme
Wie der Einsatz von Infrarot-Strahlern einen Prozess der Kunststoffverarbeitung verbessern kann, zeigt ein weiteres Beispiel aus Großbritannien. Dort werden Teile von Inspektionskammern für Kanäle aus Polypropylen gefertigt, indem verschiedene Rohre mit einer Basiseinheit verbunden werden. Früher wurde dafür Heißkleber verwendet. Heutige Anforderungen des Umweltschutzes und der Wunsch nach Kosteneinsparung ließ das britische Unternehmen Hepworth Drainage jedoch nach effizienteren Lösungen suchen.

Ein komplexer Prozess mit Robotern, die automatisiert die verschiedenen Stücke in einer Infrarot-Schweißkammer anordnen und verschweißen, benötigt jetzt nur noch 22 Sekunden. Damit wurden die Zykluszeiten für die Kunststoff-Inspektionskammern bei Hepworth deutlich verkürzt und die Qualität der Teile signifikant erhöht. Der neue Wärmeprozess ist außerdem umweltfreundlich, denn im Gegensatz zur vorherigen Heißklebermethode entstehen jetzt deutlich weniger Dämpfe. Möglich wurden diese Prozessverbesserungen, weil Infrarot-Strahler aus Quarzglas dem Produkt dreidimensional nachgeformt wurden. So entsteht die Wärme genau da, wo sie nötig ist.

Infrarot-Systeme stehen dank der verschiedenen Technologien in großer Bandbreite zur Verfügung. Die Module werden nach den Kundenvorgaben an die Prozessparameter angepasst. Sowohl elektrisches Infrarot als auch die gaskatalytischen Systeme haben ihre unterschiedlichen Einsatzgebiete, es gibt kaum Überlappungen bei den Anwendungen. Die langwelligen gaskatalytischen lnfrarot-Strahler ergänzen die kurz- bis mittelwelligen elektrischen Strahler.

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