-
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenquelle sowie ein Werkzeug mit integrierter Mikrowellenquelle vorzugsweise zur Aushärtung von thermisch aushärtenden Werkstoffen wie Verbundwerkstoffen, insbesondere Kohlenfaserverbünden gemäß des ersten bzw. achten Patentanspruchs, vorzugsweise für eine Verwendung in automatisierten Pressen.
-
Die Nutzung von Mikrowellenenergie zur Erwärmung von, Flüssigkeiten, Speisen oder Materialien ist seit geraumer Zeit bekannt. Dabei nimmt ein in einen Resonatorraum eingekoppeltes elektromagnetisches Feld eine stationäre Verteilung darin ein, die von der Frequenz der Mikrowelle, äquivalent von der Wellenlänge, und der Geometrie des Resonatorraumes abhängt.
-
Befindet sich ein Gegenstand wie z. B. eine Speise oder ein Material im Resonatorraum, nimmt dieser je nach Ankopplungsbedingungen ein Teil der Mikrowellenenergie auf. Erfahrungsgemäß erfolgt jedoch eine Erwärmung dieser Gegenstände, auch wenn sie von homogener oder quasihomogener Konsistenz sind, nicht gleichmäßig. Wesentlich für eine gleichmäßige Erwärmung des gesamten Gegenstands ist nicht nur eine homogene Einkopplung der Mikrowellenenergie und damit eine gleichmäßige Anregung aller mikrowellenleitfähiger Dipole im Gegenstand im elektromagnetischen Feld, sondern auch eine homogene Feldverteilung an sich im Resonatorraum.
-
In der
DE 103 29 411 A1 offenbart beispielhaft eine besondere Gestaltung eines Resonatorraums für eine in ihn einzukoppelnde Mikrowelle, in dem sich ein Gemisch vielzahliger Moden derart ausbildet, dass im Resonatorvolumen ein möglichst großes Prozessvolumen mit einer möglichst homogenenen Feldverteilung für das thermische Prozessieren ausgenutzt werden kann. Der Resonatorraum weist hierzu einen geradzahlig konvex polygonalem, mindestens hexagonalem Querschnitt auf, dessen Mantelflächensegmente und beide Stirnseiten plan/eben sind und die Längsstoßkante zweier unmittelbar benachbarter Mantelflächensegmente, die Mantellängskante, parallel zur Längsachse des Resonators liegt. In einem derartigen Resonatorraum lassen sich Gegenstände einschieben, jedoch
-
Eine derartige Gestaltung eignet sich insbesondere zur Erhitzung von Gegenständen, die als Ganzes in den Resonatorraum einschiebbar sind, wobei hierfür möglichst keine zusätzlichen Formen oder Werkzeuge erforderlich sind. Bereits eine Auflage oder ein Drehteller beeinflussen eine homogene Ausbildung des elektromagnetischen Feldes. Außerdem ist eine derartige Vorrichtung unflexibel bei eventuellen an einen jeweiligen Einsatzzweck erforderlichen Anpassungen.
-
Die formgebende Herstellung von Bauteilen, Halbzeugen und Komponenten aus von thermisch aushärtbaren Werkstoffen (z. B. Gummi, Duroplaste), Verbundwerkstoffen (z. B. Kohlestofffaser verstärkte Kunststoffe) oder Werkstoffverbünden (z. B. ineinander greifende Komponenten, Beschichtungen) umfasst allgemein eine formgebende Aushärtung in heizbaren Formen. In diese Formen wird eine auszuhärtende Masse eingegeben und anschließend erhitzt, wobei die Masse sich der erhöhten Temperatur der Form anpassend formgebend ausgehärtet. Erst mit der thermischen Behandlung erhält der Werkstoff seine endgültigen Materialeigenschaften.
-
Eine Anpassung dieser Formen an die vorgenannte formgebenden Aushärtung oder anderen stofflichen Umwandlung von Bauteilen, Halbzeugen und Komponenten aus Verbundwerkstoffen, Sinterwerkstoffen oder anderen thermisch aushärtbaren Werkstoffen, erfordert eine Anpassung eines Resonatorvolumens an die Formwerkzeuge, die allein aufgrund ihrer Beschaffenheit eine signifikante Störgröße in einem elektromagnetischen Feld darstellen. Aber gerade bei einer stofflichen Umwandlung ist ein homogener Wärmeeintrag für eine gleichförmige Umwandlung im gesamten Werkstück wesentlich, eine Erzeugung von lokalen Temperaturspitzen und -senken nicht tolerierbar.
-
Folglich liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Mikrowellenquelle und ein Werkzeug vorzuschlagen, die eine formgebende Herstellung von Bauteilen, Halbzeugen und Komponenten aus thermisch umwandelnden Werkstoffen ermöglicht oder begünstigt.
-
Die Aufgabe wird mit einer Mikrowellenquelle sowie einem Werkzeug mit integrierter Mikrowellenquelle mit den Merkmalen des ersten bzw. achten Patentanspruchs gelöst. Die auf diese rückbezogenen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
-
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Mikrowellenquelle sowie ein Werkzeug mit mindestens zwei bevorzugt identische Mikrowellengeneratoren vorzusehen, wobei sich die Abstrahlbereiche der Mikrowellengeneratoren im Mikrowellenraum sich vorzugweise überschneiden und in auf das ein zu bestrahlende Zielobjekt, d. h. ein Ankopplungselement mit einer Ankopplungsfläche für die Mikrowellenstrahlung gerichtet sind. Der Mikrowellenraum ist der Raum der Mikrowellenquelle, der sich zwischen den Mikrowellengeneratoren und dem Zielobjekt erstreckt und in dem sich die eingestrahlten Mikrowellen ausbreiten. Wesentlich ist auch, dass die Mikrowellengeneratoren, insbesondere die Sendeantennen dieser durch geeignete Abschirmungen von den Abstrahlbereichen der jeweils anderen Mikrowellengeneratoren optisch abgeschirmt sind. Sie stehen in den Abschattungsbereichen der Abschirmungen, wobei diese keine direkte Sichtlinie zwischen zwei Sendeantennen zulassen. Die Abschirmungen verhindern somit in vorteilhafter Weise die direkte Anstrahlung der Sendeantennen untereinander und leiten Wellenanteile durch einen Impedanzsprung in den Schacht zum mikrowellenpermeablen Druckstempel an das Bauteil weiter. Als Abschirmung dienen vorzugsweise reflektierende oder streuende Gegenstände, bevorzugt Stege und bevorzugt aus Metall mit Reflexions- oder Streuflächen.
-
Die Sendeantennen der Mikrowellengeneratoren sind dabei bevorzugt auf einer gemeinsamen elektrisch leitfähigen Ebene, vorzugsweise einer Metallebene abstehend angeordnet. Ihre Ausrichtung und damit auch die der Abstrahlbereiche weisen vorzugsweise zur Minimierung von Strahlungsminima und -maxima in die gleiche Richtung. Die Reflexions- oder Streuflächen der Stege sind von der Metallebene weg- und bevorzugt zu dem Werkstück hingerichtet. Sie sind in Ihrer Anordnung so positioniert, dass sie zudem als Sichtblenden zwischen den Abstrahlbereichen der Sendeantennen dienen. Die Metallebene wird vorzugsweise durch einem Blech aus Metall oder mit einer Metallbeschichtung gebildet, wobei die Sendeantennen bevorzugt durch Durchbrüche in den Mikrowellenraum hineinragen und durch das Blech von den restlichen Komponenten der Mikrowellengeneratoren räumlich getrennt sind. Der Mikrowellenraum erstreckt sich vorzugweise zwischen Zielobjekt und der elektrisch leitfähigen Ebene, d. h. auf den möglichen Ausbreitungsraum der Mikrowellen bis zum Zielobjekt und den Mikrowellenbarrieren (Abschirmung).
-
Bevorzugt sind die Ankopplungsfläche des Zielobjekts und auch die Stege parallel zu der Metallebene ausgerichtet.
-
Das Zielobjekt umfasst mindestens eine thermisch prozessierbare, bevorzugt eine aushärtbare oder sinterbare Komponente, die allein oder im Verbund mit anderen Komponenten ein Werkstück bildet. Die Einkopplung der Mikrowellen dient dabei der Zuführung von Energie zur Erwärmung mindesten einer der Komponenten. Vorzugsweise erfolgt eine direkte Erwärmung durch Einkopplung in die thermisch prozessierbare Komponente (direkte Aufheizung). Alternativ oder ergänzend findet eine Einkopplung von Energie in die anderen, nicht thermisch prozessierbaren Komponenten statt, die die Wärme im Werkstück an benachbarte Komponenten weitergibt (indirekte Aufheizung) und auf diese Weise in jenen einen thermischen Prozess bewirkt. Die durch die Mikrowelle dabei direkt beheizten Komponenten dienen dann als passive Heizelemente. Als Zielobjekt dienen z. B. faserverstärkte Kunststoffe oder metallische oder keramische Sinterwerkstoffe.
-
Die Erfindung umfasst auch ein mikrowellenpermeables Werkzeug mit der vorgenannten Mikrowellenquelle. Das Ankopplungselement für die Mikrowellen wird dabei entweder durch das Werkstück selbst (direkte Aufheizung oder indirekt durch ein werkstückseitiges passives Heizelement wie zuvor beschrieben) oder durch ein werkzeugseitiges passives Heizelement wie z. B. eine Form oder ein Kern für das Werkstück (indirekte Aufheizung). Eine heizbare Form dient z. B. als Werkstückkpassform zur endkonturnahen Aushärtung, Sinterung oder sonstiger thermisch unterstützten Prozessierung des Werkstücks (z. B. Spritzguss). Die heizbare Form ist ferner als Pressmatritz gestaltbar, d. h. sie umfasst neben einer Mikrowellengestützten Heizung auch eine Druckvorrichtung zur Erzeugung einer zusätzlichen axiale oder isostatische Pressung und kann eine geometrische Konturformgebung an das Werkstück bewirken.
-
Das mikrowellenpermeable Werkzeug umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform Abstandshalter zwischen der elektrisch leitenden Ebene (z. B. Metallebene) mit den Sendeantennen und dem Zielobjekt, d. h. dem aufzuheizenden Ankopplungselement. Durch einen möglichst gleichen Abstand der Mikrowellenquellen > λ bis ca. 2 λ zum Ankopplungselement wird durch die vorliegende Ganghöhe eine schraubenartige Wellenpropagation und dadurch eine gleichmäßigere Einstrahlung der Mikrowellenenergie begünstigt.
-
Das mikrowellenpermeable Werkzeug besteht aus einem nicht mikrowellenleitenden Dielektikum hoher Permittivität, um dadurch eine hohe Feldaufnahme bei geringer Absorptionsleistung zu ermöglichen. Dadurch wird dem Werkstück an der Ankopplungsfläche (Grenzschicht) zwischen Werkzeug und Werkstück ein sehr homogen aufgelöstes übermodiertes Mikrowellenfeld angeboten.
-
Die Reflexions- oder Streuflächen der Stege weisen keine auf die Sendeantennen zurückreflektierenden oder gerichteten Flächenanteile auf. Damit wird nicht nur die direkte, sondern vorteilhaft auch eine über eine oder mehrere Spiegelungen indirekte Anstrahlung der Sendeantennen untereinander reduziert oder vermieden.
-
Weiter bevorzugt sind die Sendeantennen und die Stege in einem Schacht in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Der Schacht weist einen U-förmigen Querschnitt auf, gebildet durch die leitfähige Ebene als Boden und zwei seitlichen elektrisch leitfähigen Wandungen wie Bleche oder Komponenten mit metallische Oberfläche als seitliche Begrenzungen. Die offene Seite des Schachts dient als Austritt für die Mikrowellenstrahlung, weist in Richtung des Zielobjekts, wobei die Fläche auf dem Zielobjekt, in die die Mikrowellenstrahlung eintritt, die Ankopplungsfläche bildet. Sie wird durch die Ankopplungsfläche des Zielobjekts vorzugsweise komplett abgedeckt. Der Schachtquerschnitt ist zur Erzielung einer möglichst homogenen Strahlungsintensität über die gesamten Erstreckung der offenen Seite gleichbleibende Querschnittsabmessungen (Höhe, Breite, Querschnittsfläche) auf. Die Erstreckung ist grundsätzlich beliebig an das Zielobjekt anpassbar. Sie erstreckt sich für geometrisch gerade Zielobjekte, wie z. B. Platten oder Leisten (z. B. aus CFK- oder CFC-Materialien) entlang einer Geraden, für Scheibenförmige Zielobjekte, z. B. Bremsscheiben oder Kupplungsscheiben kreisförmig als Ringschacht. Eine weitere Bauform umfasst einen Ringschacht mit radial nach innen oder nach außen gerichteter offenen Seite zur Prozessierung von bevorzugt stabartiger bzw. rohrförmiger Zielobjekte (z. B. CFK-Stäbe oder Rohre). Vorzugsweise sind die Ankopplungsflächen parallel zu der Metallebene angeordnet.
-
Eine Alternativausführung sieht anstelle einer linienförmige eine flächige Anordung der Sendeantennnenpositionen auf der elektrisch leitfähigen Ebene vor. Für die Erzielung einer möglichst gleichförmigen flächigen Abstrahlung der Mikowellenstrahlung auf ein Zielobjekt folgt die flächige Anordnung geometrisch wiederkehrender Strukturen. Beispielsweise wird eine elektrisch leitfähige Metallebene durch die Stege in eine Vielzahl von Karos, Rauten oder Dreiecke unterteilt, wobei die Sendeantennen vorzugsweise mittig in diesen Karos, Rauten oder Dreiecke angeordnet sind.
-
Die Ankopplungsfläche des Zielobjekts dient der Einkopplung der Mikrowellenstrahlung in das Zielobjekt.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand beispielhafter Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
-
1 eine Ausschnittdarstellung einer Mikrowellenquelle mit mehreren Mikrowellengeneratoren in abwechselnder Reihenfolge mit Stegen mit dreieckigem Stegquerschnitt an einer Metallebene,
-
2 eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Mikrowellengenerators in einer Metallebene mit Sendeantenne und Abstrahlbereichen,
-
3a und b zwei alternative Stegquerschnitte sowie
-
4 eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Werkzeugs mit Mikrowellenquelle.
-
Einen beispielhaften Querschnitt einer Mikrowellenquelle zeigt 1. Sie umfasst eine Anzahl von Mikrowellengeneratoren 1, die mit ihrer jeweiligen Sendeantenne 2 in Durchbrüchen 3 einer Metallplatte 4 eingesetzt sind und durch jene hindurch ragen (vgl. 2). Die Sendeantennen 2 sind in abwechselnder Reihenfolge mit den Stegen 5 auf der Metallplatte (Metallebene) in regelmäßigen Abständen zueinander in Reihe angeordnet. Stege und Sendeantennen sind vorzugsweise orthogonal zu der Metallebene ausgerichtet. 1 zeigt zudem die Anordnung der Mikrowellenquelle zu der Ankopplungsfläche 6 eines Zielobjekts 7 dar. Die Ankopplungsfläche weist vorzugsweise zu allen Sendeantennen und allen Stegen einen gleichen Abstand d auf, was in praxi durch hier nicht abgebildeter Abstandshalter zwischen der Ankopplungsfläche und der Metallplatte realisierbar ist. Die Abstandshalter werden vorzugsweise durch separate Elemente wie Stützen gebildet, die vorzugsweise direkt an der Metallplatte einerseits und der Ankopplungsfläche angreifen. Vorzugsweise wird durch die vorgenannte Gestaltung der Mikrowellenquelle mit einem U-Förmigen Schachtquerschnitt die seitlichen Wandungen als Abstandshalter.
-
Die Mikrowellenquelle 1 im vorgenannten Einbauzustand weist im Betrieb – wie in 2 dargestellt – einen von der Sendeantenne 2 ausgehenden Abstrahlbereich 8 für Mikrowellen auf. Der Abstahlbereich erstreckt sich speziell in der gezeigten Ausführungsform nicht in die axiale Verlängerung der Sendeantenne.
-
Die Stege 5 sind als Sichtblenden zwischen den Sendeantennen so gestaltet, dass sich die von den Sendeantennen ausgehenden Abstrahlbereiche 8 nicht auf andere Sendeantennen 2 erstrecken. Die Sendeantennen befinden sich damit in den Schattenbereichen der Abstrahlbereiche der jeweils anderen Sendeantennen. Die in 1 dargestellten Stege sind beispielhaft auf der Metallebene angeordnet und sind in ihrer Höhe so gestaltet, dass sie benachbarte Sendeantennen abschatten, d. h. eine direkte Einstrahlung von Mikrowellen benachbarter Sendeantennen vermeiden.
-
Vorzugsweise werden die Stege als Strukturen integral in ein Metalltiefziehblech als Metallebene vorgesehen.
-
Die von den Abstrahlbereichen der Sendeantennen frei zugänglichen Oberflächen der Stege sind als Refelxions- und/oder Streuflächen gestaltet, die von der Metallebene weggerichtet sind. Dies bewirkt, dass die auf die Stege auftreffende Mikrowellenstrahlung reflektiert bzw. gestreut wird und somit zum Zielobjekt hin aufgefächert und umgeleitet wird. Während eine Reflexionsfläche eine verlustarme Umlenkung der Mikrowellenstrahlung nur in Reflexionsrichtung bewirkt, ermöglicht eine Streufläche eine diffuse und damit verlustreichere Abstrahlung in einen größeren Winkelbereich. Während die Reflexionsebenen bevorzugt so gestaltet sind, dass die reflektierte Strahlung nicht zu den Sendeantennen zurückspiegelt, ist eine nachteilige Rückstreuung von Strahlungsanteilen durch die Streuflächen zurück auf die Sendeantennen nicht zu vermeiden. Ziel ist die Generierung einer gleichmäßig auf die gesamte Ankopplungsfläche auftreffenden Strahlungsintensität. Die Oberflächen der Stege sind entsprechend bevorzugt spiegelnd oder mit einer sehr geringen Rauigkeit gestaltet. Sie sind entweder, wie beispielhaft in 1 dargestellt, eben (dreieckige Querschnittsform der Stege), alternativ aber als konvexe und/oder konkave Reflexionsflächen mit dem Ziel einer homogenen Ausleuchtung der Ankopplungsfläche mit Mikrowellenstrahlung gestaltet (beispielhaft 3a und b). In einer bevorzugten Ausführung weisen die Stege über deren Länge einen veränderten Querschnitt auf, der die unterschiedliche Anstrahlung der Stege durch die Sendeantennen über die Steglänge sowie optional auch anderer reflektierender Elemente wie z. B. die vorgenannten Wandungen bei einem vorgenannten U-förmigen Schachtprofil auf der Basis von allgemeinen Reflexionsgesetzen berücksichtigt.
-
4 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Werkzeugs mit einer axialen mit einer Kraft F belastbaren Pressform 9 für ein ringscheibenförmiges Werkstück 10 (z. B. keramische oder faserverstärkte Bremsscheibe) sowie mit zwei auf das Werkstück einwirkenden Mikrowellenquellen 11 mit kreisförmigem Ringschacht 12 mit U-förmigen Querschnittsprofil 13. Die Pressform umfasst eine untere, feststehende Werkstückaufnahme 14 sowie einen oberen, in der Werkstückaufnahme geführten Pressstempel 15. Sowohl Werkstückaufnahme und Pressstempel sind vorzugsweise mit jeweils einer Mikrowellenquelle ausgestattet.
-
Die Pressform wird vorzugsweise zwischen die Druckplatten einer nicht weiter dargestellten Druckprüfmaschine eingesetzt.
-
Eine Ausführungsform sieht eine Pressform aus einem mikrowellenpermeablen Material, bevorzugt Oxidkeramiken oder Hochtemperaturthermoplaste (mit Schmelzpunkt über 250°C) vor, die die Mikrowellenenergie möglichst verlustarm zum Werkstück passieren lässt. Das zu prozessierende Werkstück wird durch die Mikrowellenenergie direkt oder über passive Elemente im Werkstück indirekt aufgeheizt. Vorzugsweise weisen die Materialbereiche, die nicht durch die Mikrowellen beaufschlagt sind, eine reflektierende Oberfläche auf, die ein Entweichen von Mikrowellenenergie und damit Energieverluste verhindern.
-
Eine alternative Ausführungsform sieht eine Pressform, zumindest die Materialbereiche zwischen Werkstück und Mikrowellenquellen aus einem mit Mikrowellenenergie aufheizbaren Material vor, das wiederum die Energie an das Werkstück weitergibt (indirekte Beheizung). Vorzugsweise bilden die Materialbereiche zwischen Werkstück und Mikrowellenquellen das primäre Zielobjekt für die Mikrowellenenergie, wobei die verbleibenden Bereiche des Pressform eine reflektierende Oberfläche aufweisen (z. B. Reflexionsbeschichtung), die ein Entweichen von Mikrowellenenergie und damit Energieverluste verhindern. Vorzugsweise weist das Führungsbauteil eine nach außen hin wirkende thermische Isolierung 17 auf (4), vorzugsweise eine angesetzte Wandungsummantelung auf der Außenwandungsfläche der Pressform.
-
Die Stege 5 sind mit Reflexionsflächen versehen bevorzugt so gestaltet, dass die Mikrowellen im Ringkanal in beide Richtungen jeweils im spitzen Winkel auf die Ankopplungsfläche auftreffen und durch die Wandungen des Querschnittprofils 13 sowie im Werkstück durch die Wandungen der Werkstückaufnahme 14 jeweils nach innen reflektierend wendelförmig durchdringen. Die Führungsachse 16 des Pressstempels 15 in der Werkstückaufnahme weist vorzugsweise einen polygonalen, weiter bevorzugt hexagonalen Querschnitt als weitere Reflexionsflächen auf, was eine möglichst homogene Verteilung der sich im Werkstück rotationssymmetrisch und gegenläufig ausbreitenden Wellenbündel bewirkt.
-
Zum Einsatz kommen bevorzugt Mikrowellenquellen für ISM-Frequenzen (ISM = Industrial Scientific Medical), vorzugweise kommerziell erhältliche 915 MHz, 2,45 GHz oder 5,85 GHz-Quellen zum Einsatz. Sie sind vorzugweise vollständig in das Werkzeug integriert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Mikrowellengenerator
- 2
- Sendeantenne
- 3
- Durchbruch
- 4
- Metallplatte
- 5
- Steg
- 6
- Ankopplungsfläche
- 7
- Zielobjekt
- 8
- Abstrahlbereich
- 9
- Pressform
- 10
- ringscheibenförmiges Werkstück
- 11
- Mikrowellenquelle
- 12
- Ringschacht
- 13
- U-förmiges Querschnittsprofil
- 14
- Werkstückaufnahme
- 15
- Pressstempel
- 16
- Führungsachse
- 17
- thermische Isolierung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
