Infrarotsysteme zur Ver- und Bearbeitung von Kunststoffen

Kunststoff ist ein unverzichtbarer Werkstoff. Er wird auch weiterhin an Bedeutung gewinnen und als Wachstumsmarkt einer noch jungen Industrie hohe Zuwächse erfahren. Beschleunigen Sie Ihren Herstellungsprozess und reduzieren Sie gleichzeitig die Energiekosten durch eine schnellere Erwärmung mit Infrarotstrahlern von IBT.

Die Entwicklung neuer Kunststoffprozesse erfordert oftmals eine stetige Anpassung und Optimierung der Produktionsplanung, des Produktdurchlaufs sowie spezialisierte Problemlösungen. IBT als kompetenter Partner für komplexe Wärmelösungen unterstützt Sie dabei.

Durch den gezielten Einsatz von IR erwärmen wir Kunststoffe und aktivieren verschiedenste physikalisch-chemische Prozesse

Mittels Infrarotwärme wird die für den Prozess benötigte Reaktionswärme direkt und ohne Übertragungsmedium in das zu erwärmende Gut gebracht. Kunststoffe absorbieren IR-Strahlung in dem breitesten Spektrum und zwar abhängig von der Farbe, Stärke der Kunststofffolie und vor allem von der Zusammensetzung. Wenn die Pigmente organisch und gleichmäßig in der Kunststoffmatrix verteilt sind, dann absorbieren sie IR-Strahlung in der gewünschten Wellenlänge. Damit kann man unter bestimmten Bedingungen die besten Ergebnisse erzielen. Die Auswahl der geeigneten Infrarotstrahler sorgt für eine schnelle Erwärmung und geht letztendlich mit einer geometrisch deutlich verkleinerten Anlage und einem höheren Produktionsdurchsatz einher.

Wir befassen uns kundennah mit dem jeweilig thermischen Anforderungsprofil (z.B. durch Feldversuche) und präsentieren Ihnen ein auf diese Problemstellung angepasstes Ergebnis. Unsere IR-Lösungen können nach zu beschreibenden Prozessanforderungen einzeln oder modular, aber auch als durchkonstruierte Komplettanlagen angeboten werden.

Kunststofftyp

Jeder Kunststoff hat aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung ein unterschiedliches Absorptionsverhalten. Das makromolekulare Grundgerüst der Kunststoffe absorbiert in der Regel lediglich Strahlung im ultravioletten Bereich und im langwelligen Infrarot-Bereich. Die technischen Kunststoffe wie ABS, PA, PMMA oder PC enthalten genug funktionelle Gruppen mit Doppelbindungen oder freien Elektronenpaaren wie Stickstoff oder Sauerstoff, um viel IR-Strahlung zu absorbieren. Standardkunststoffe wie Polyolefine hingegen sind fast IR transparent. Der Zusatz von organischen Stoffen (Additive oder Pigmente) ermöglicht bei diesen eine bessere Streuung im Material und führt damit zu verstärkter Absorption im IR-Bereich. Keramikstrahler, die besonders gut auf Absorptionsvermögen der eingefärbten Kunststoffe abgestimmt sind, machen die Kunststoffverarbeitung effizienter.

Zur Auswahl des passenden IR-Strahlers für Ihren Thermoforming-Prozess unterstützen wir Sie gern in Form von Beratung, Feldversuchen und Produkttests.

Nutzen Sie unsere Erfahrung und unser Know-how und fragen Sie nach!

Weiterführender Link: Feldversuche für die Wahl des richtigen Infarotstrahlertyps

Wellenlängenbereich

Die durch die Infrarotstrahler emittierten verschiedenen Wellenlängen verursachen unterschiedliche Tiefenwirkungen auf Kunststoffe. Mittlere Wellenlängen werden schon an der Oberfläche absorbiert, d. h. sie heizen nur die obere Schicht des Materials auf. Kürzere Wellenlängen dringen, im Gegensatz zu mittel- oder langwelliger Strahlung, tiefer in das Material ein.

Strahlungsanteile aus anderen Wellenlängenbereichen können, je nach Kunststoffzusammensetzung, ohne eine Wärmewirkung direkt durch den Kunststoff hindurchdiffundieren.

Treffen z. B. kurze Wellenlängen auf sehr dünne Materialien (Folien), sind diese für diese Strahlung durchlässig. Es gibt aber auch Fälle, bei denen die Strahlung einer bestimmten Wellenlängen vom Kunststoff reflektiert werden kann.

Materialdicke

Sollen dünne Kunststofffolien oder -platten durchwärmt werden, bietet sich eine einseitige Erwärmung mit STIR®-Strahlern an. IR-Strahlung wird von Kunststoffen vorwiegend im Wellenlängenbereich über 2 µm absorbiert. Die Emission von STIR® stimmt weitestgehend mit der Absorption von Kunststoffen überein.

Entsprechend der Abmessungen des zu bearbeitenden Materials (z. B. Kunststoffbahnen) können Außenstrahler zugeschaltet werden. Durch die Variation der Strahler-Leistung und dem Abstand zum Material wird eine gleichmäßige Erwärmung gewährleistet.

Abhängig vom Kunststoffmaterial und dessen Stärke können Öfen mit dem dunklen Infrarot STIR® 3- bis 6-mal kürzer als konventionelle Konvektionslösungen sein. Dadurch sparen Sie nicht nur erheblich an Investitionskosten sondern verbessern durch extrem verkürzte Reaktionszeiten und ein bedeutend reduziertem Energieverbrauch Ihr Gesamtergebnis.

Weiterführende Informationen:

Farbe

Vergleich der Erwärmungszeiten von kurz- und mittel-bis langwelligen IR-Strahlern bei dünnen Kunststoffen; verschiedene Farbgebung
Vergleich der Erwärmungszeiten von kurz- und mittel-bis langwelligen
IR-Strahlern bei dünnen Kunststoffen; verschiedene Farbgebung

Kunststoffe und Folien sind meistens eingefärbt und streuen und reflektieren je nach Oberflächentextur, Farbe und Zusammensetzung das Licht stärker oder weniger. Farben unterscheiden sich physikalisch in ihren Wellenlängen. Vom menschlichen Auge werden sie im Bereich zwischen 0,38 bis 0,780 µm wahrgenommen. Die in eingefärbten Materialien enthaltenen Pigmente erzeugen ein verändertes Absorptionsspektrum für die IR-Strahlung. Generell gilt: je dunkler die Farbe, desto besser die Absorption. Helle Farben hingegen reflektieren mehr Infrarotstrahlung.

Bei mehrfarbigen Kunststoffen kann man mit Keramikstrahlern das beste Erwärmungsergebnis erzielen. Diese Strahler sind besonders gut auf das Absorptionsvermögen der eingefärbten Kunststoffe abgestimmt und machen die Kunststoffverarbeitung effizienter.

Hellstrahler sind durch ihr enges Spektrum für die Bearbeitung von mehrfarbigen Werkstoffen eher ungeeignet.

01 Kleine Anlagen, flexible IR-Technik

  • Wahl des optimalen Infrarotstrahlers für werkstoffspezifische Strahlung
  • Flexible und modulare Strahleranordnungen
  • variable Zonensteuerung und Anschlussleistung
  • Verkleinerung der Anlagen durch schnelle Reaktionszeiten
  • Maßgenaue Fertigung nach Kundenwunsch

02 Schnelle, intelligente Prozesse

  • Emission der Strahler im Wellenbereich von 2 bis 10 µm, abgestimmt auf die Absorption der Kunststoffe
  • kurze Reaktionszeiten
  • Direkte und gleichmäßige Erwärmung (berührungslos)
  • Reflektoren am Emitter sichern optimale Strahlungsverläufe

03 Geringe Kosten

  • Spürbare Verbesserung der Energieeffizienz
  • Senkung der Anschaffungskosten durch kleinere Anlagen
  • Lange Lebensdauer der Strahler
  • 24 Monate Garantie

Wie kann mein Fügeverfahren zum Verkleben/Schweißen von Kunststoffen & Aktivierung von Klebstoffen mit Infrarotstrahlung optimiert werden?

Beim thermischen Verkleben von Flächen kommen spezielle Kleber zum Einsatz. Diese in der Regel hochviskosen Klebstoffe werden durch IR-Wärmeeinwirkung flüssig. Beim Erkalten gehen sie dann in den festen Zustand über. Diese wärmehärtenden Klebeverbindungen setzen sich zunehmend gegenüber klassischen Verbindungen wie Nieten, Schrauben und Schweißen durch.

Beim Schweißen von Kunststofffolien werden die zu verbindenden Flächen durch Infrarot erwärmt. Die Kunststoffflächen verflüssigen und verbinden sich gefügetechnisch.

Die Auswahl des passenden IR-Systems zum Verkleben von Kunststoffen & Aktivieren von Klebstoffen richtet sich nach den Anforderungen der Anwendung, dem infrarothärtenden Material und den gewünschten Prozessparametern.

Der überwiegende Teil der marktüblichen Infrarotstrahler sind sogenannte Hellstrahler mit hohen elektrischen Leistungsdichten bis 200 kW/m². Ihr Maximum der Emission liegt bei Wellenlängen um 1 µm. Diesem Spektral-"Angebot" steht der Spektral-"Bedarf" der Kunststoffe bzw. Klebstoffe gegenüber, der im Bereich von 2,5 bis 10 µm liegt. Dadurch sind viele makromolekulare Verbindungen unerreichbar für eine solche Energiequelle.

Entsprechende Möglichkeiten bieten hier Dunkelstrahler, bei denen das Emissionsspektrum über die geringere Emittertemperatur bestimmt ist. STIR®-Strahler übertragen Energie kontaktlos durch mittel- und langwellige Infrarot-Strahlung, die sich erst mit der Absorption im bzw. am zu erwärmenden Klebstoff in Wärme umsetzt. Durch die spezielle STIR®-Beschichtung wird der Emissionsgrad des Infrarot-Strahlers im Wellenlängenbereich um 3 µm erhöht. Der Prozess wird effektiver.

Weiterführende Informationen:

Dazu zwei mögliche Einsatzbeispiele:

Verkleben von Glasscheiben mit Textilgewebe mittels EP-Klebstoff in der Industrie

Erwärmzeit von 1K-EP-Klebstoff
Erwärmzeit von 1K-EP-Klebstoff

Durch die Umstellung von feuchtigkeitshärtendem Silikon- auf ein warmhärtendes 1K-EP-System wurde das Aushärten des Klebstoffes mit der STIR®-Technologie extrem beschleunigt. Das Vernetzen des Klebstoffes zum Verbinden von Textilien mit Glas konnte radikal (zum Teil bis 90 %) reduziert werden. Der Energieaufwand wurde deutlich gesenkt, der Platzbedarf stark minimiert, der Fertigungsdurchlauf wesentlich verbessert und die Kosten enorm gesenkt.

  • Verkürzung der Prozesszeiten auf <50 %
  • Energieeinsparung um 30-50 %

Verkleben von Glasscheiben mit PO-Plastisolen zur Verkapselung von Solarzellen in der Photovoltaik-Industrie

Solarzellen in der Photovoltaik-Industrie
Solarzellen in der Photovoltaik-Industrie

Das Versiegelungsmaterial soll dabei sowohl hochtransparent, UV- und thermisch stabil, elektrisch isolierend und einfach zu verarbeiten sein als auch sehr gute Haftungseigenschaften besitzen.

Bei der Erwärmung mit Infrarot wird das Material direkt durch die Strahlung (berührungsloses Erwärmen) erhitzt. Im Umlufttrockenschrank erfolgt die Erwärmung durch die Umgebungstemperatur.

Der Vorteil von STIR®: es wird weniger Energie für das Gelieren von Plastisol eingesetzt. Bei der Gelierung im Umlufttrockenschrank liegt die Prozesszeit bei 15-20 min. Mit STIR®-Strahlern kann die Prozesszeit auf <7 min gesenkt werden. Dies bedeutet eine Reduzierung der Gelierzeit um ca. 50 % für die Gelierung unter dem Infrarot-Dunkelstrahler.

Nach einem Bewitterungs- und UV-Test der PV-Module wurde keine sichtbare Delamination und Klebrigkeit festgestellt. Stattdessen wurde eine relative Erhöhung des Wirkungsgrades der Zellen bestätigt.

  • Verkürzung der Prozesszeiten auf <50 %
  • Energieeinsparung um 30-50 %

Weitere Informationen zu den beiden Anwendungsbeispielen finden Sie hier:

STIR® - eine neue Dimension des Klebens (532,1 KiB)

Autor: Dr. Barbara Sieczkowska

01 Hervorragende Produktergebnisse

  • Verbindung unterschiedlicher Materialien, z. B. Textilgewebe mit Glas in der Industrie
  • 100 % luft- und gasdichte Klebenaht
  • Partikelfreiheit

02 Clevere Technik

  • direkte und gleichmäßige Erwärmung (berührungslos)
  • Bearbeitung variabler 3-D-Geometrien durch beliebige Strahleranordnung
  • Partielle Bestrahlung durch modulare Konstruktionen

03 Geringe Kosten

  • Spürbare Verbesserung der Energieeffizienz
  • Lange Lebensdauer der Strahler
  • 24 Monate Garantie

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