DE102014116818A1

DE102014116818A1 - Verfahren und Anordnung zur Hochfrequenz-Erwärmung von Kunststoffrohren mit Plasmaelektrode

Info

Publication number: DE102014116818A1
Application number: DE102014116818.6A
Authority: DE
Inventors: Roland Gesche; Joachim Scherer
Original assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Anordnung zur dielektrischen Erwärmung von Kunststoffrohren oder anderen rohrförmigen Gebilden beliebigen Querschnitts aus dielektrischem Material beschrieben. Dabei wird eine Elektrode durch die Anregung eines Plasmas im Inneren des Kunststoffrohres gebildet. An mindestens zwei Außenelektroden, die sich außerhalb des Kunststoffrohrs befinden, wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die das Plasma erzeugt und aufrecht erhält und weiterhin Felder für eine dielektrische Erwärmung des Rohres erzeugt. Zusammen mit der Wärmeentwicklung des Plasmas kann diese dielektrische Erwärmung genutzt werden, um das Rohr für einen Biegevorgang zu erwärmen.

Description

Gebogene Rohre aus diversen Polymeren finden vielfältige Anwendungen im Automobilbau, der Luftfahrtindustrie, der Medizintechnik und in diversen industriellen Bereichen. Diese werden meist aus geraden Rohren durch thermische Verformung hergestellt. Hierzu werden in der Regel Verfahren genutzt, die mit Heißluft oder Heißdampf arbeiten. Diese Verfahren sind im Energieverbrauch sehr ineffizient, erzeugen hohen Ausschuss und erfordern viel Handarbeit.
Aufgabenstellung ist, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, bei der die Erwärmung möglichst energieeffizient und damit auch kostengünstig erfolgt und die gut automatisierbar ist. Ein Ansatz ist die lokale Erwärmung mit Infrarotstrahlen oder die lokale Erwärmung mit geheizten Biegebacken, wie sie in DE 102 22 256 B4 beschrieben wird. Diese Verfahren haben jedoch starke Einschränkungen der biegbaren Geometrien zur Folge.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Erwärmung dielektrisch im Material selbst durch die Einkopplung von hochfrequenter elektromagnetischer Energie erfolgt. Dadurch ist kein Wärmeübergang erforderlich und die Masse des zu erwärmenden Nicht-Rohrmaterials ist minimal. Ein solches Verfahren ist in DE 696 13 130 T2 beschrieben. Hier sind Hochfrequenz-Elektroden zur Einkopplung des elektrischen Feldes außerhalb des zu biegenden Rohres angeordnet. Dies führt jedoch dazu, dass das Rohr ungleichmäßig erwärmt wird und durch den relativ großen Elektrodenabstand hohe Feldstärken erforderlich sind, was die Gefahr von Überschlägen erhöht und die Effizienz mindert. Bei Rohrsystemen aus mehreren koaxialen Rohrstrukturen, wie z. B. SCR-Rohren, besteht weiterhin das Problem, dass die inneren Rohrstrukturen nur äußerst schlecht erwärmt werden können, da der Abstand zu den Elektroden groß ist und die äußeren Strukturen eine abschirmende Wirkung der elektrischen Felder haben.
Eine günstigere Anordnung zur dielektrischen Erwärmung eines Rohres ist eine koaxiale Struktur, bei der sich eine Innenelektrode 1 im Inneren des Rohres 2 und eine Außenelektrode 3 außerhalb des Rohres befindet (1). Solche Anordnungen sind in DE 2010 037 334 A1 und EP 2 399 717 A2 beschrieben. Hiermit kann jedoch immer nur selektiv eine Biegestelle des Rohres erwärmt werden, die Biegung muss nach der Erwärmung des Rohres außerhalb des Elektrodenbereiches erfolgen. Die Fixierung des Innenleiters begrenzt die Rohrlänge, die Handhabung ist im Produktionsprozess problematisch.
Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während der Erwärmung im Rohr ein Plasma gezündet wird. Dieses Plasma übernimmt die Funktion einer Innenelektrode, die jedoch nur temporär während der Erwärmung vorhanden ist und damit keine Einschränkungen bei der Handhabung des Rohres vor und nach der Erwärmung verursacht. Es können so beliebig viele Biegestellen eines Rohres gleichzeitig behandelt werden. Das Rohr kann dabei vor der Biegung in die gewünschte Form gebracht werden und nach der Biegung in dieser abkühlen. Zusätzlich zur dielektrischen Erwärmung durch die elektrischen Felder bewirkt das Plasma eine direkte Erwärmung des Rohres von innen, was insbesondere bei dicken Rohren oder mehrschichtigen Rohrsystemen vorteilhaft ist, da diese Erwärmung von innen den Abfall der dielektrischen Erwärmung nach innen hin kompensiert.
Das Plasma kann erfindungsgemäß an Atmosphärendruck mit Luft oder einem anderen Prozessgas gezündet werden. Zur Vermeidung von unerwünschten Plasmen außerhalb des zu biegenden Rohres ist es vorteilhaft, im Rohr ein Plasmagas zu verwenden, welches leicht ionisierbar ist, z. B. Helium.
In einer alternativen Ausführungsform kann im Inneren des Rohres durch eine Vakuumpumpe ein Niederdruck erzeugt werden. Bedingt durch die Paschenkurve wird dadurch die Zündfeldstärke reduziert, das Plasma kann einfacher und sicherer selektiv im Inneren des Rohres erzeugt werden. Auch hier kann sowohl Luft oder Stickstoff als auch ein anderes Prozessgas verwendet werden, z. B. die inerten Gase Helium, Argon, Neon und Krypton. Weitere plasmachemische Effekte können durch reaktive Gase erzielt werden, die rein oder als Mischung eingebracht werden können, z. B. Sauerstoff, Fluor oder Precursoren für eine Schichtabscheidung.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung ist um das Rohr 2 eine koaxiale Außenelektrode 3 angeordnet, das Plasma 1 wird im Inneren des Rohres erzeugt (1). Hierzu ist in Längsrichtung des Rohres eine zweite koaxiale Außenelektrode 4 vorgesehen (2). Die Elektroden 3 und 4 sind mit einer Hochfrequenzversorgung 5 verbunden. Die Ansicht zeigt die Ebene senkrecht zur Biegeachse des Rohres. Der Hochfrequenzgenerator 5 kann asymmetrisch aufgebaut sein, dann ist eine der beiden Elektroden 3, 4 geerdet. Er kann auch vorteilhaft symmetrisch und/oder potentialfrei aufgebaut sein. Eine Impedanzanpassung zur Realisierung der notwendigen hohen Feldstärken ist in 5 integriert.
Zur Verbindung zwischen dem Hochfrequenzgenerator 5 und den Außenelektroden 3 und 4 können bei symmetrischem Betrieb symmetrische Leitungen, z. B. Paralleldrahtleitungen (sogenannte Hühnerleitern), Verwendung finden.
Zur simultanen Biegung mehrerer Radien an einem Rohr kann die Vorrichtung nach 2 mehrfach auf der Rohrlänge angeordnet sein.
Wenn unterschiedliche Geometrien (Radien, Winkel) entlang eines Rohres gebogen werden sollen, kann es erforderlich sein, unterschiedlich lange Bereiche eines Rohres in der erfindungsgemäßen Apparatur zu erwärmen. Hierzu kann mindestens eine der Außenelektroden 3, 4 beweglich angeordnet werden, um den Erwärmungsbereich zu verändern oder auch die Elektroden während der Erwärmung zu bewegen.
Weiterhin können erfindungsgemäß mehrere Außenelektroden 6, 7, 8, 9 (3) vorgesehen werden, die aus einem Generator 10 mit entsprechend vielen Ausgängen gespeist werden. Die Ausgänge können in Phase und Amplitude einstellbar gestaltet werden, damit kann die Länge des Erwärmungsbereiches und die Energieverteilung über diesen Bereich eingestellt werden. Weiterhin kann bei dieser Anordnung auch das Plasma 1 elektrisch in mehrere Segmente geteilt werden, wodurch sich weitere Optimierungsmöglichkeiten ergeben.
In einer weiteren Ausführungsform können die Elektroden 11, 12 im Wesentlichen parallel zur Achse des Rohres angeordnet sein (4). Die Querschnitte der Elektroden sind hier zylindrisch dargestellt, können jedoch eine beliebige Kontur und Position haben. 5 zeigt die Ansicht senkrecht zur Biegeachse des Rohres, die Elektroden 11 und 12 können jedoch beliebig positioniert werden, zum Beispiel am Innen- und Außen-Biegeradius des Rohres.
Der Verfahrensablauf stellt sich wie folgt dar: Das zu bearbeitende Rohr wird in einer mechanischen Anordnung in die gewünschte Form gebracht. An den Biegestellen sind Elektroden angebracht. Entweder koaxiale Elektroden gemäß 1, 2 und 3, die zum Beispiel als Halbschalen ausgeführt und um das Rohr herum geschlossen werden können oder gemäß 4 und 5 als lineare Elektroden, die in der Vorrichtung angebracht sind. Es wird Hochfrequenz aus dem Generator 5 oder 10 mit der integrierten Impedanzanpassung eingespeist, das Plasma wird gezündet und das Rohr erwärmt sich im Elektrodenbereich.
Nach Abschalten der Hochfrequenz und Erlöschen des Plasmas wird das Rohr gekühlt, zum Beispiel mittels Druckluft. Anschließend kann das fertig gebogene Rohr entnommen werden.
Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, die Biegung sequentiell durchzuführen. Hierzu wird eine Erwärmungsstelle vorgesehen, in der das gerade Rohr erwärmt wird. Anschließend wird das erwärmte Rohr mit einer geeigneten Mechanik geformt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10222256 B4 [0002]
DE 69613130 T2 [0003]
DE 2010037334 [0004]
EP 2399717 A2 [0004]

Claims

Verfahren und Anordnung zur Erwärmung linear ausgedehnter dielektrischer Hohlkörper mittels Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Außenelektroden außerhalb des Hohlkörpers vorgesehen werden, die mit einer Hochfrequenzversorgung verbunden sind und während der Erwärmung mindestens ein Plasma im Inneren des Rohres gezündet wird, welches mindestens eine weitere Elektrode bildet.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden koaxial um den Hohlkörper herum angeordnet sind.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektroden linear ausgedehnt sind und im Wesentlichen parallel zur Hohlkörperachse angeordnet sind.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma im Inneren des Hohlkörpers bei Atmosphärendruck gezündet wird und ein Prozessgas mit geringer Ionisierungsenergie wie zum Beispiel Helium oder eine Gasmischung verwendet wird, die Anteile von Gasen enthält, die leichter ionisierbar sind als Luft.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma im Inneren des Hohlkörpers unter Vakuumbedingungen gezündet wird.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als wesentlicher Anteil des Prozessgases Luft verwendet wird.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als wesentlicher Anteil des Prozessgases ein Inertgas wie zum Beispiel Argon verwendet wird.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 5 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas reaktive Gase verwendet werden bzw. reaktive Gase dem Prozessgas beigegeben werden.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 5 oder Anspruch 7, dass Precursoren verwendet werden, die eine Schichtabscheidung bewirken.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenelektrode und zwei Außenelektroden verwendet werden.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Außenelektroden eine symmetrische Hochfrequenzversorgung angelegt wird.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Außenelektroden vorgesehen werden, die mit Hochfrequenz beaufschlagt werden, wobei die Amplituden und Phasenlagen einstellbar sind.
Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung und das Verfahren zum Biegen von Kunststoffrohren verwendet wird.