Energiezufuhr revolutioniert: Effiziente Composite-Fertigung durch Heraeus Noblelight

Zweiter Blog der Pre-CAMX-2019-Serie zu Technologien, die tatsächlich auf CAMX 2018 ausgestellt waren. Fokus: Heraeus Noblelights neues black.infrared System – neuartiger Systemtyp für Composite-Verarbeitung – und humm3 Technologie, die Laser und Infrarotheizer in Automated Fiber Placement (AFP) Maschinen ersetzt.

Innovation mit Licht

Heraeus Noblelight innoviert vielfältige Industrieprozesse mittels Lichtkraft. Hintergrund: Alles Licht ist elektromagnetische Strahlung (EMR) mit inhärenter Wellenlänge und Frequenz (Diagramm). Heraeus entwickelt Geräte, die Licht über großen Spektralbereich nutzen: IR-Emitter, LED-Lampen, UV-Systeme, Bogen- und Blitzlampen.

In Composites: UV und IR seit Jahrzehnten im Einsatz. Black.infrared ist neue Technologie.

• Sunrez: UV-Härtung für Harzinfusion und Composite-Repair in 1990ern
• UV-härtende Epoxidbeschichtungen: Standard in vielen Industrien
• UV-härtendes Epoxidharz: Continuous-Fiber-3D-Druck-Pioniere (Continuous Composites, moi composites)
• IR-Heizung: üblich in automatisierten Composite-Produktionslinien – 2D Tailored Blanks vorformen vor Preforming/Preforms vor Stampfen/Überformen vorheizen

Black.infrared

Heraeus Noblelight stellte black.infrared auf CAMX 2018 aus. „Mittlerer Wellenlängen-IR-Emitter, liefert viel Leistung in kleinem Volumen“, erklärt Bruce Fricks, Senior Sales Manager IR Systems, Heraeus Noblelight America LLC. HQ Hanau, Deutschland; US-Division IR/Blitzlampen: Buford, Georgia; US-Division UV: Gaithersburg, Maryland.

„Üblicherweise bei mittlerem Wellenlängen-IR-Emitter: Leistungsdichte ~60 kW/m². ‚Black IR‘ erreicht 200 kW/m². IR ist effizientere Energieeintrag in Substrat vs. Erhitzen der Umgebungsluft, aber Black IR ist dreimal effizienter vs. Konvektionsofen. Für Inline-Verarbeitung: Förderband dreimal schneller oder auf 1/3 Länge verkürzbar. Beispiel: 30-ft-Ofen auf 10 ft reduzierbar mit Black IR.“

Bisherige Anwendungen: Kunststoffschweißen, Erhitzen dünner (Mikron) Photovoltaik-Filme für Solarzellen. „IR funktioniert allgemein gut für atomare Abscheidung“, notiert Fricks, „z. B. Gallium-Lagen oder Silizium-Muster für Halbleiter. Alle in Vakuum. Black IR funktioniert auch im Vakuum und bei hohen Temperaturen.“

Black.infrared-Emitter designed für Oberflächentemperatur 1000 °C. „Alles Festkörper, kann in Ofen bei 700–800 °C betrieben werden ohne Schaden. Für Prozesse > 1500 °C besser Short-Wave-IR.“

Black IR ist Line-of-Sight-Technologie. „Besser für flache oder einfache konvex/konkave Flächen. Größtes Problem: Teile/Materialien mit internen/externen Bereichen, wo etwas Schatten wirft.“

Black IR Vorteile und potenzielle Composite-Anwendungen

Black.infrared ist kein filamentbasierter IR-Emitter (heller in Mitte als an Rändern). Erzeugt sehr uniforme Energie über 2D-planare Emitteroberfläche: 40×400 mm bis 100×100 mm. „Black IR Emitter kachelbar zu planarem Device bis 400×400 mm.“

Als Mittlerer-Wellenlängen-IR-Device relativ farbblind (weiß vs. dunkel). „Kocht schwarze Materialien nicht, unterheizt gelbe/weiße nicht.“ Aufheizzeit < 60 Sekunden. „Watt-für-Watt nicht schrecklich teuer vs. andere IR-Optionen. IR teurer als Konvektionsofen, aber bietet Geschwindigkeit, Effizienz, sehr uniforme Temperatur – Variation < ±5 °C.“

Potenzielle Anwendungen: Faser-, Prepreg-, Composite-Tape-Produktion, ggf. CVD-Prozesse (Graphen, Nanocomposites). Fricks sucht Gespräche mit Herstellern/Materiallieferanten für weitere Composite-Anwendungen.

humm3 ersetzt Laser in AFP

Zweite Technologie auf CAMX 2018: humm3 System für AFP von Thermoset-Pregpreg, Dry Fiber und Thermoplast-Composite-Tapes. humm3 nutzt xenon-gefülltes Blitzlampen, gepulst mehrfach pro Sekunde. In Teil 2 meines 2018-Artikels zu In-situ-Konsolidierung Thermoplast-Composites beschrieb ich (Abb. 2), wie Laser in Thermoplast-AFP durch violettes Licht vs. orangenes Licht von IR-Heizern in Thermoset-Pregpreg-AFP unterscheidbar sind. humm3 differenziert sich durch hellweißes Licht.

„Infrarotlampen relativ günstig, aber langsam und erreichen nicht die Hochtemperaturen für Luftfahrt-Thermoplaste“, sagt Kyle Hudspeth, Sales Manager Heraeus Noblelight humm3 Nord-/Südamerika. „Andererseits: Laser sehr schnell heizen/kühlen, aber teuer und erfordern signifikante Sicherheitsvorkehrungen. Humm3 schließt Marktlücke: schnelles, sicheres, kompaktes, kosteneffizientes Heizen für AFP.“

humm3 liefert uniforme Hitze an AFP-Nippelpunkt über weiten Temperaturbereich: 50 °C bis aktuell gemessene Max 600 °C. Präzise steuerbar über drei programmierbare Parameter:

• Puls Energie (wie groß)
• Puls Dauer (wie lang)
• Puls Frequenz (wie oft pro Sekunde)

Heizzeit und Temperatur grob wie Laser, „aber keine schützende Laser-Kabine nötig, Techniker können nah am Lagen während Betrieb.“

Tests für Carbon-Fiber-PEEK-Laminate: humm3 produziert hochwertige Thermoplast-AFP-Laminate mit ≈35 % Kristallinität und <2 % Porosität – gefordert für Luftfahrt-Composite-Strukturen. Im Rahmen EU Clean Sky 2: Center for Lightweight Production Technology (ZLP, Stade, Deutschland) arbeitet mit Heraeus Noblelight an humm3-Entwicklung im Multi-Roboter-GroFi-System am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Stade. Ziel: signifikante AFP-Ratensteigerung für Thermoplast-Composite-Strukturen bei strengen Qualitätsanforderungen.

Für Dry-Fiber-Laminate (später Infusion/RTM): Hudspeth claims humm3 ermöglicht Lagegeschwindigkeit 1 m/s und uniformes Heizen über 8 oder 16 Tapes à 0,25 Zoll Breite. Beheizung über 300 mm Breite mit Single Lamp, koordiniert mit humm3s modularem Netzteil und modularem Design für weitere Anpassung größerer Beheizzonen. Quarz-Delivery-Optik anpassbar für präzise Wärmezonaform.

humm3 wird für weitere Composite-Verarbeitung entwickelt: Thermoplast-Schweißen, Filamentwickeln, Tacking mehrerer Composite-Lagen für Preforms. Hudspeth: humm3 ist ausgereifte, bewährte Technologie, demonstriert am National Composites Centre (Bristol, UK) seit 2016, Gewinner Queen's Award for Innovation UK 2015.

Details: Heraeus Noblelight am CAMX Stand Y47.