DE19929666C2

DE19929666C2 - Verfahren und Mikrowellensystem zur thermischen Prozessierung von aus Ausgangsmaterialien zusammengesetzten Formkörpern zu formbeständigen dreidimensionalen Kompositen

Info

Publication number: DE19929666C2
Application number: DE1999129666
Authority: DE
Inventors: Lambert Feher; Axel Siegfried Herrmann; Jens Kleffmann; Markus Kleineberg; Arno Pabsch; Christof Sigle
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2019-06-26
Also published as: DE19929666A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mikrowellensystem zur Temperierung von Ausgangsmaterialien in einem Prozeßraum mittels Mikrowellen zu formbeständigen, dreidimensionalen 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.

Aus dem Bericht FZKA 5564 von M. Thumm in Wissenschaftliche Be richte des Forschungszentrums Karlsruhe ist ein Verfahren zur Temperierung von Materialien in einem Prozeßraum mittels Mikro wellen, wobei in den Prozeßraum (Fig. 21 darin: Behälter) mit dem auf einer formstabilen Unterlage (Behälterboden) liegenden Material eine Mikrowelle aus dem Dezimeter- bis Millimeter-Be reich eingekoppelt wird (30 GHz), die in dem das Material min destens teilweise umgebenden Prozeßvolumen eine hinreichend ho mogene, elektromagnetische Feldbeaufschlagung hervorruft und dadurch einen volumetrischen Heizeintrag in das Material be wirkt, wobei die Mikrowelle aus mindestens einer Mikrowellen quelle (Gyrotron, linke Bildhälfte) über eine zugehörige Aus koppeleinrichtung (Gyrotronauskopplung auf Spiegel gerichtet) ausgekoppelt und auf einen zugehörigen Spiegel (linke untere Bildhälfte: siehe die beiden Spiegel) gerichtet wird, bekannt.

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 gelost.

Aus der Mikrowellenquelle wird über eine Auskoppeleinrichtung eine Mikrowelle aus dem dm- bis mm-Bereich in den Prozeßraum ausgekoppelt. Die Mikrowelle wird auf einen zugehörigen, wellenoptischen Spiegel gerichtet. Bis dort hin hat die Mikrowelle eine halbsinusförmige Amplitudenvertei lung. An dem Spiegel wird sie reflektiert und die reflektierte Welle auf das quaderförmige, den zu prozessierenden Formkörper vollständig umgebende Prozeßvolumen oder ein quaderförmiges Teilvolumen davon gerichtet. Bei der Reflexion wird die Ampli tudenverteilung durch die Welligkeit in der Reflektorfläche derart verändert, daß im Prozeßvolumen eine plane Wellenfront zustande kommt und damit 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 naher 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 laßt, 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 einer Wellenfront aus, deren Amplitudenverteilung halbsinusförmig ist.

Ein zugehöriger Metallspiegel reflektiert die Welle und lenkt sie auf den vorgesehenen Bereich der Unterlage. Der Spiegel hat in seiner Spiegelfläche Welligkeiten (Korrugationen) zur Ampli tudenumverteilung in der Welle, er ist ein wellenoptischer, in der Fachsprache ein phasenkorrugierter Spiegel. Damit stellt sich im Prozessvolumen eine plane Wellenfront ein und die zur gleichmäßig thermischen Behandlung des Formkörpers im Prozeßvolumen bzw. im Prozeßteilvolumen notwendigen elektromagnetischen Feldzustände werden erreicht. Dort soll nämlich eine gleichmäßige, zumindest aber eine für den Prozeß hinreichend gleichmäßige Amplitudenverteilung bestehen.

Weitere technisch nützliche Maßnahmen in einem solchen Mikro wellenmodul sind in den Unteransprüchen 9 bis 12 aufgeführt.

Im Hohlleiter zwischen der Mikrowellenquelle und der Auskoppe leinrichtung ist ein Modenwandler zur linearen Polarisierung der Welle (Anspruch 9).

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 10).

Die Mikrowellenquellen strahlen im dm- bis mm-Wellenlängenbe reich ab (Anspruch 11). Da die Quellen leistungsstark sein und wegen der thermischen Prozesse kontinuierlich betrieben werden müssen - es sind bis zu 10 kW pro Quelle - werden vorzugsweise Klystrons (Anspruch 12), für nicht so hohe Leistungsforderung Magnetrons oder für sehr hohe Leistungsforderung Gyrotrons ver wendet.

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 volumetrischer 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. Die Mikrowellen quellen sind Klystrons. Die Mikrowellenleistung des Moduls ist für 16 kW Mikrowellenleistung ausgelegt, d. h. 8 kW pro Quelle. Damit wird eine Heizrate von < 10°C/min erreicht. Die Haltetem peratur im Formkörper 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 Welle trifft auf den zugehörigen, metallischen, wellenoptischen Spie gel 4, von wo dieselbe reflektiert und auf das Prozeßvolumen 5 gelenkt wird. Die beiden Spiegel 4 sind an dem balkenförmigen Bereich mit trapezförmigem Querschnitt spiegelbildlich zuein ander in dem Prozeßraum 6 angebracht. Sie sind eben und haben auf ihrer Reflexionsfläche Welligkeiten, Korrugationen, zur Amplitudenumverteilung. Dies, weil, wie oben erläutert, eine ebene Wellenfront mit sinusförmiger Amplitudenverteilung ausgekoppelt wird, im Prozeßvolumen aber plane Wellenfront zustande kommen und auftreffen soll, weil eine für den thermischen Prozeß hinreichende Gleichverteilung 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 Welligkeiten im jeweiligen Spiegel 4 und den Ab stand der beiden spiegelbildlich zueinander angeordneten Spie gel von der Unterlage. Die Situation ist so eingerichtet, daß die Amplitudenverteilung 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 Wellenfronten so, daß resultierend die vorgegebene Gleichverteilung über die Breite zustande kommt. Die Amplitu denverteilung ist nach der Auskopplung und vor der Reflexion durch den halbsinusförmigen Verlauf angedeutet, ebenso über der Projektionsebene des Prozeßvolumens 5 durch die beiden trapezförmigen Verteilungen 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

Welligkeit

Claims

1. Verfahren zur Temperierung von zu einem Formkörper (7) zu sammengesetzter Ausgangsmaterialien in einem Prozeßraum mittels Mikrowellen zu formbeständigen, dreidimensionalen Kompositstrukturen,
wobei in den Prozeßraum (6) mit dem auf einer formstabilen Unterlage (1) liegenden Formkörper (7) eine Mikrowelle aus dem dm- bis mm-Bereich eingekoppelt wird,
die in dem den Formkörper quaderförmig vollständig umgebenden Prozeßvolumen (5) eine zur Fertigung der Kompositstruktur (7) hinreichend homogene, elektromagnetische Feldbeaufschlagung hervorruft und dadurch einen sofortigen volumetrischen Heizeintrag in den Formkörper (7) zur Verformung und/oder Verschmelzung und/oder Verklebung und/oder Aushärtung der Ausgangsmaterialien bewirkt,
wobei die Mikrowelle aus mindestens einer Mikrowellenquelle (2) über eine zugehö rige Auskoppeleinrichtung (3) in den Prozeßraum (6) ausge koppelt und auf einen zugehörigen, wellenoptischen Spiegel (4) gerichtet wird,
an dem neben der Reflexion auf das Prozeßvolumen eine Umverteilung der Amplitudenverteilung derart stattfindet, dass am Prozeßvolumen eine plane Wellenfront zustande kommt, um dort homogene oder hinreichend homogene Feldverhältnisse zu haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterialien thermoplastische Faserverbundhalb zeuge, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Werkstoffen wie Schäume, prozessiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Faserverbundhalbzeuge strukturiert aufgestellt und mindestens zweischichtig durch den volume trischen Heizeintrag miteinander verschmolzen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterialien Faserhalbzeuge mit duromerer Matrix, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Werkstoffen wie Schäume, zu einem Formkörper zusammengestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Infiltration der trockenen Fasermaterialien notwen dige Temperatur über die hinreichend homogene Feldbeauf schlagung eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration der trockenen Fasermaterialien mit Hilfe von Linienangüssen erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Faserhalbzeuge zur Herstellung von binderfixierten Faservorformlingen temperiert werden.

8. Mikrowellenmodul eines Mikrowellensystems für die thermische Prozessierung in einem Prozeßraum von auf einer starren Unterlage (1) ausgelegten Ausgangsmaterialien zu formbeständigen, dreidimensionalen Kompositstrukturen (7), bestehend aus:
einer zur unterbrechungslosen, gleichmäßigen Beaufschlagung mit Mikrowellen eines auf der Unterlage (1) ausgelegten großflächigen Formkörpers (7) notwendigen Anzahl aneinander gereihter Module, wobei ein Modul aus:
mindestens einer Mikrowellenquelle (2) mit rechteckiger Auskoppeleinrichtung (3), und
einem zugehörigen wellenoptischen Spiegel (4) besteht, an dem die ankommende Wellenfront reflektiert wird,
und der Spiegel (4) Welligkeiten (10) derart hat, daß die ankommende Wellenfront bei der Reflexion in ihrer Amplitudenverteilung so umverteilt wird, daß sich im zu einem rechteckigen Projektionsbereich oder einem rechteckigen Teilprojektionsbereich gehörigen Prozeßvolumenteil auf der Unterlage eine plane Wellenfront einstellt, die dort eine hinreichend gleichmäßige Umverteilung der Amplitudenverteilung bewirkt.

9. Mikrowellenmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Mikrowellenquelle und ihrer Auskopplung (3) ein Modenwandler ist, der die erzeugte Welle linear polarisiert.

10. Mikrowellenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Wellengang der auf die Unterlagenfläche (1) einfal lenden Welle oder Wellen eine bandleiterförmige Drahtanord nung (8) befindet, die über zwei außerhalb des Wellengangs liegenden Rollen umläuft und dabei senkrecht von der Achse des Wellengangs oder der jeweiligen Achse der Wellengänge durchdrungen wird, so daß im Betrieb eine Modenrührung im Prozeßraum stattfindet.

11. Mikrowellenmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquellen im Bereich von dm- bis mm-Wellen ab strahlen.

12. Mikrowellenmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquellen (2) Klystrons sind.