Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mikrowellensystem
zur Temperierung von Ausgangsmaterialien in einem Prozeßraum
mittels Mikrowellen zu formbeständigen Kompositstrukturen.
In der DE 195 36 675 C1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren
beschrieben, um großflächige, formbeständige Bauelemente aus
Faserverbundwerkstoffen durch Injektion eines Harzgemisches und
anschließende beschleunigte Aushärtung durch Erwärmung in einem
Autoklaven herzustellen. Die Erwärmung erfolgt durch Einleitung
von Warmluft in den Autoklaven und damit über die Strukturober
fläche. Sie ist zeitraubend und aufwendig.
In der US 4,314,036 wird ein Verfahren angegeben, Schaumpro
dukte aus ungesättigten Polyesterharzkompositionen herzustel
len. Die Komposition besteht aus einem ungesättigten Monomer,
einem Träger, einem Auslöser, einem Gaserzeuger und einem pas
senden Surfaktanten (?). Zur Aushärtung der Schaumkomposition
wird dieselbe für eine gewisse Zeitspanne einer Mikrowelle aus
gesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für dreidimensionale
flächige Kompositbauelemente geeignete Ausgangsmaterialien so
zu prozessieren, daß im Vergleich zu herkömmlichen Methoden die
Eigenschaften des Kompositbauelements energiesparender und in
wesentlich kürzerer Zeit erreicht werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 1 und mit einer Mikrowelleneinrichtung gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Aus der Mikrowellenquelle wird über eine Auskoppeleinrichtung
eine Mikrowelle aus dem dm- bis mm-Bereich mit planer Wel
lenfront in den Prozeßraum ausgekoppelt. Die Mikrowelle wird
auf einen zugehörigen, phasenkorrugierten Spiegel gerichtet.
Bis dorthin hat die Mikrowelle eine halbsinusförmige Amplitu
denverteilung. An dem Spiegel wird sie reflektiert und die re
flektierte Welle auf das quaderförmige, den zu prozessierenden
Formkörper vollständig umgebende Prozeßvolumen oder ein quader
förmiges Teilvolumen davon gerichtet. Bei der Reflexion wird
die Amplitudenverteilung durch die Korrugation derart verän
dert, daß im Prozeßvolumen eine für den Thermalisierungsprozeß
hinreichende Gleichverteilung der Amplitude über den Quer
schnitt besteht. Durch diese homogene bzw. hinreichend homogene
Feldverteilung wird im Volumen des Formkörpers überall ein so
fortiger Heizeintrag bewirkt, der bei entsprechendem Leistungs
eintrag die vorgesehene Verschweißung und Aushärtung der Aus
gangsmaterialien des Formkörpers zu dem formbeständigen Kompo
sitstruktur bewirkt.
In den Ansprüchen 2 und 3 wird aufgeführt, daß thermoplastische
Faserverbundhalbzeuge zu einem Kompositkörper verarbeitet wer
den. Im Anspruch 4 werden Ausgangsmaterialien aus Faserhalbzeug
mit duromerer Matrix eventuell mit weiteren Werkstoffen wie
Schäume zu dem Formkörper zusammengestellt.
In den Ansprüchen 5 und 6 werden die Verfahren zur Prozessie
rung bei trockenen Fasermaterialien näher erläutert. Schließ
lich werden in Anspruch 7 die Faserhalbzeuge der Faservorform
linge vortemperiert.
In dem nebengeordneten Anspruch 8 sind die Merkmale aufgeführt,
aus denen ein Mikrowellensystem aufgebaut sein muß, um das Ver
fahren durchführen zu können. Das Mikrowellensystem besteht aus
einer notwendigen Anzahl aneinandergereihter Mikrowellenmodule,
um eine Rechteckfläche, auf die sich der zu prozessierende Kör
per vollständig projizieren läßt, unterbrechungslos und gleich
mäßig mit einer geforderten, leistungsstarken Mikrowelle zu be
aufschlagen. Hierzu wird die in mindestens einer Mikrowellen
quelle erzeugte Mikrowelle über eine zugehörige rechteckige
Auskoppelvorrichtung ausgekoppelt. Die Welle tritt mit ebener
Wellenfront aus, deren Amplitudenverteilung halbsinusförmig
ist.
Ein zugehöriger Metallspiegel reflektiert die Welle und lenkt
sie auf den vorgesehenen Bereich der Unterlage. Der Spiegel hat
Korrugationen zur Amplitudenumverteilung in der Welle, er ist
ein phasenkorrugierter Spiegel. Damit werden die zur gleichmä
ßig thermischen Behandlung des Formkörpers im Prozeßvolumen
bzw. im Prozeßteilvolumen notwendigen elektromagnetischen Feld
zustände erreicht. Dort soll eine gleichmäßige, zumindest aber
eine für den Prozeß hinreichend gleichmäßige Amplitudenvertei
lung bestehen.
Weitere technisch nützliche Maßnahmen in einem solchen Mikro
wellenmodul sind in den Unteransprüchen 9 bis 13 aufgeführt.
Im Hohlleiter zwischen der Mikrowellenquelle und der Auskoppe
leinrichtung ist ein Modenwandler zur linearen Polarisierung
der Welle (Anspruch 9). Weiterhin kann die Auskoppeleinrichtung
getapert sein (Anspruch 10). Damit wird die verlangte Abstrahl
charakteristik erreicht.
Um die für den Prozeß hinreichend gleichmäßige Feldverhältnisse
im Prozeßvolumen zu verbessern, bewährt sich ein Modenrührer im
Weg der jeweiligen Welle nach der Reflexion. Es ist ein senk
recht zur Wegachse der Welle umlaufende Drahtanordnung aus Me
tall, die leiterförmige Gestalt hat (Anspruch 11).
Die Mikrowellenquellen strahlen im dm- bis mm-Wellenlängenbe
reich ab (Anspruch 12). Da die Quellen leistungsstark sein und
wegen der thermischen Prozesse kontinuierlich betrieben werden
müssen - es sind bis zu 10 kW pro Quelle - werden Magnetrons
oder Klystrons oder gar Gyrotrons verwendet (Anspruch 13).
Die Quellen sind innerhalb ihres Leistungsbereichs beliebig
steuerbar, so daß die Thermalisierung des zu prozessierenden
Formkörpers gezielt auf- und abgeregelt werden kann. Die Module
sind getrennt ansteuerbar, damit können in einem Mikrowellensy
stem aus mehreren Modulen Teilbereiche mit unterschiedlicher
Leistung beaufschlagt werden.
Die rechteckige Auskopplung und Beaufschlagung ist für ein mo
dulares Mikrowellensystem insoweit von Vorteil, als die Anein
anderreihung von Modulen eine unterbrechungslose Überdeckung
einer beliebig ausgedehnten Ebene zuläßt. Eine andere geometri
sche Form der Auskopplung der Welle, wie ein Kreis beispiels
weise, und damit einer entsprechenden Beaufschlagung des Pro
zeßvolumens ist selbstverständlich einzurichten, ist aber für
den modularen Aufbau eines Mikrowellensystems aufgrund von
Überschneidungs- oder Unterbrechungsbereichen im Prozeßvolumen
nicht so geeignet.
Der Vorteil dieses Mikrowellensystems als Thermalisierungsein
richtung liegt darin, daß durch die gleichartigen elektromagne
tischen Feldverhältnisse am Prozeßort im auf der Unterlage aus
gelegten, zu prozessierenden Formkörper eine sofortige gleich
mäßige Erwärmung im Innern erzeugt wird, es findet ein volume
trischer Energieeintrag statt. Es wird also nur im Volumen des
Formkörpers Wärme entwickelt und nicht im gesamten Innenraum,
dem Prozeßraum, des Moduls. Dadurch wird eine wesentlich effi
zientere Erwärmung als bei herkömmlichen Einrichtungen er
reicht, bei denen die Wärme über die Formkörperoberfläche ein
gebracht werden muß, wie das bei Heißlufterwärmung beispiels
weise der Fall ist. Es ergibt sich eine erhebliche Energieein
sparung durch das lediglich ausschließliche Erwärmen der zu
prozessierenden Struktur. Die damit einhergehenden Kostenminde
rungen erhöhen die Wirtschaftlichkeit der Kompositfertigung und
unterstützen eine Ausweitung der Anwendungsmöglichkeiten für
Kompositstrukturen. Von der Handhabung her ergibt sich noch der
weitere Vorteil der erheblichen Reduzierung der thermischen Be
anspruchung der Werkzeuge und Hilfsmittel aufgrund des nur vo
lumetrischen Heizeintrags, insbesondere aber auch für das Be
dienpersonal.
Das Verfahren wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels des Mikrowellensystems näher
erläutert. Die Zeichnung besteht aus 2 Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines Moduls mit zwei Mikrowellenquellen,
Fig. 2 das Mikrowellensystem aus aneinandergereihten Modulen.
Das Mikrowellensystem wird hier zur thermischen Prozessierung
langer Formkörper zu formbeständigen Kompositstrukturen verwen
det. Da das System aus mindestens einem Modul besteht, sollen
die Erläuterungen zunächst auf einen solchen beschränkt blei
ben.
Fig. 1 zeigt den Schnitt durch ein Modul mit zwei Mikrowellen
quellen 2, die im 24 GHz-Bereich abstrahlen, das bedeutet eine
Wellenlänge im leeren Raum von etwa 1,2 cm. Es sind Klystrons.
Die Mikrowellenleistung des Moduls ist für 16 kW Mikrowellen
leistung ausgelegt, d. h. 8 kW pro Quelle. Damit wird eine
Heizrate von < 10°C/min erreicht. Die Haltetemperatur im Form
körper soll bei 120°C liegen.
Unten ist die formstabile Unterlage 1 aus Aluminium aufge
stellt. Die beiden Klystrons 2 befinden sich mit ihrer zugehö
rigen rechteckigen Auskoppeleinrichtung 3 links und rechts
oben. Die jeweils ausgekoppelte plane Welle trifft auf den zu
gehörigen, metallischen, wellenoptischen Spiegel 4, von wo die
selbe reflektiert und auf das Prozeßvolumen 5 gelenkt wird. Die
beiden Spiegel 4 sind an dem balkenförmigen Bereich mit tra
pezförmigem Querschnitt spiegelbildlich zueinander in dem Pro
zeßraum 6 angebracht. Sie sind eben und haben auf ihrer Refle
xionsfläche Korrugationen zur Amplitudenumverteilung. Dies,
weil, wie oben erläutert, eine ebene Wellenfront mit sinusför
miger Amplitudenverteilung ausgekoppelt wird, im Prozeßvolumen
aber eine für den thermischen Prozeß hinreichende Gleichvertei
lung der Amplitude bestehen muß, damit in dem Volumen des auf
der Unterlage 1 aufgebauten Formkörpers 7 der Heizeintrag durch
die elektromagnetische Feldverteilung unmittelbar und überall
hinreichend gleichmäßig hervorgerufen wird.
Die Geometrie des Prozeßraums 6 bestimmt sich aus der pro Pro
jektionsfläche im Prozeßvolumen 5 benötigten Leistung und der
notwendigen Ausdehnung der Unterlage 1 bzw. einer mit dem Modul
prozessierbaren Teilfläche. Die Außenkontur des Moduls hat in
diesem Durchführungsbeispiel die Dimension von 3 m2 Grundfläche
und unter 2 m Höhe.
Die geforderte Situation der Feldverteilung im Prozeßvolumen 5,
hier für den Prozeß hinreichende Gleichverteilung, bestimmt die
Gestalt der Korrugation im jeweiligen Spiegel 4 und den Abstand
der beiden spiegelbildlich zueinander angeordneten Spiegel von
der Unterlage. Die Situation ist so eingerichtet, daß die Am
plitudenverteilung aus beiden Wellenfronten zusammen über die
Breite der Unterlage konstant bzw. wellig in tolerablem Maß,
jedoch unter 10% ist. In der Mitte überlagern sich beide Wel
lenfronten so, daß resultierend die vorgegebene Gleichvertei
lung über die Breite zustande kommt. Die Amplitudenverteilung
ist nach der Auskopplung und vor der Reflexion durch den halb
sinusförmigen Verlauf angedeutet, ebenso über der Projektions
ebene des Prozeßvolumens 5 durch die beiden trapezförmigen Ver
teilungen nach der Reflexion, die sich zu einer dieser Art
überlagern.
Um die geforderte Gleichverteilung des elektromagnetischen
Feldes im Prozeßvolumen noch zu verbessern, wird die Wellen
front nach der Reflexion dem Modenrührer 8 ausgesetzt. Dieses
bekannte Hilfsmittel besteht in dem Modul aus einem leiterför
migen, metallischen Drahtband 8, das über zwei Rollen umläuft,
so daß zumindest der Nutzteil 9 der Welle sicher durch den zu
gehörigen Modenrührer 8 hindurch muß. Aus antriebstechnischen
und wellenoptischen Gründen bietet sich der Einbau unmittelbar
unterhalb der beiden Spiegel 4 an.
Mit diesem symmetrisch aufgebauten Modul wird eine vorgegebene
rechteckige Projektionsfläche mit der amplitudengleichverteil
ten, ebenen Wellenfront beaufschlagt. Das aus sieben Modulen
zusammengesetzte Mikrowellensystem hat eine Gesamtlänge von
etwa 21 m und wird zur Herstellung eines langen, flachen, scha
lenartigen Bauteils, einer Art Wand mit Durchbrüchen, aus Fa
serverbundwerkstoffen eingesetzt. Das läßt sich aufgrund der zu
beaufschlagenden rechteckigen Projektionsfläche bequem einrich
ten. Selbst die Feldverhältnisse an den Schnittbereichen stel
len kein Hinternis dar, da die Module hintereinander so aufge
stellt werden, daß an den Berührzonen die Verhältnisse entspre
chend der im Modul selber mit seinen zwei Wellenfronten beste
hen.
Das gesamte Mikrowellensystem ist in seinem Aufbau und seiner
linearen Ausdehnung in Fig. 2 angedeutet. Die beiden Klystrons
je Modul liegen in der Mitte einander spiegelbildlich zur
Längsachse gegenüber. Die Grundfläche je Modul ist quadratisch,
3 × 3 m2, das sind 7 Module für das System.
Bezugszeichenliste
1
Unterlage
2
Mikrowellenquelle
3
Auskoppeleinrichtung
4
Spiegel
5
Prozeßvolumen
6
Prozeßraum
7
Formkörper, Kompositstruktur
8
Modenrührer
9
Nutzteil
10
Korrugation