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Dr. Guido Link

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Materialprozesstechnik mit Mikrowellen

 

Die Anwendung von Mikrowellen zur Erwärmung ist heute jedermann vertraut durch die Haushaltsmikrowelle bei 2.45 GHz. Vorteilhaft ist, dass hierbei die Wärme im Materialvolumen entsteht, so dass der Heizvorgang schnell, gezielt und energiesparend abläuft. Insbesondere Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Kunststoffe, Gläser, Pulver und Keramik lassen sich hiermit wesentlich schneller erwärmen. In der technischen Materialprozesstechnik stehen diesen Vorteilen Probleme gegenüber, die man teilweise ebenfalls von der Haushaltsmikrowelle kennt: Die Wärmeverteilung ist möglicherweise inhomogen, und die Mikrowellen dringen in manche Materialen nur ungenügend ein, während andere für Mikrowellen eher durchlässig sind und daher wenig erwärmt werden.

   

 

Am IHM wird die Lösung solcher Probleme sowohl bei der industriellen Mikrowellen-Frequenz 2.45 GHz als auch im Millimeterwellenbereich untersucht. Dies schließt die Bestimmung von Prozessparametern und Produktqualität im Vergleich zu konventioneller Heiztechnik ein. So erweist sich eine Mikrowellenheizung nicht nur als schneller und energiesparender, sie erlaubt teilweise auch eine Reduktion der Prozesstemperaturen. Vielfach können auch die Eigenschaften der so hergestellten Materialien verbessert werden, wie es z. B. für Kohlefaser verstärkte Kunststoffe (CFK) und verschiedene Keramiken gezeigt werden konnte.

HEPHAISTOS-Versuchszentrum (HEC)

 

Unser Ziel ist die Entwicklung neuartiger industrieller energieeffizienter Mikrowellen-Prozesse.

Die modulare Mikrowellensystemlinie HEPHAISTOS stellt eine radikale Innovation im Bereich von Erwärmungs- und Prozesssystemen für die Materialverarbeitung dar. In diesen Kammersystemen entstehen exzellente homogene Feldverteilungen. Die Erzeugung sehr gleichmäßiger und großräumiger homogener Felder bei 2.45 GHz war bislang ein Kernproblem der industriellen Mikrowellentechnik. Dies ist aber für viele industrielle Anwendungen und Prozesse eine unverzichtbare Voraussetzung. Es sind verschiedene HEPHAISTOS-Mikrowellensysteme (begehbare bis 7500l Volumen) für industrielle Prozessentwicklungen verfügbar. Durch diese können neue energieeffiziente, schnelle Produktionsprozesse erprobt und für die industrielle Anwendung als Dienstleistung maßgeschneidert realisiert werden. Die Systemtechnik ist lizenziert an unseren Partner Vötsch Industrietechnik , Reiskirchen.

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Bereich Mikrowellensysteme und Prozesse

Mit Hilfe gängiger Softwaretools, wie CST Microwave Studio und COMSOL Multiphysics werden neue Mikrowellen Applikatoren auf die produktspezifischen Prozesse hin optimiert. Auf Grundlage dessen werden neue Mikrowellensysteme konstruiert, aufgebaut und getestet. Für großtechnische Anwendungen in großen Applikatoren, die sich mit den kommerziellen Simulationstools nur schwer Simulieren lassen werden neue Softwarekonzepte entwickelt. Im Gegensatz zu thermischen Öfen, deren Regelverhalten im Wesentlichen durch die thermische Masse der Ofenwände vorgegeben ist, ist im Fall der Mikrowellenheizung das Regelverhalten ausschließlich durch das Produkt selbst bestimmt. Dies stellt besondere Anforderungen an Flexibilität der verwendeten Regelkonzepte in Mikrowellenanlagen. Mit innovativen, selbstlernenden und modelprädiktiven Regelalgorithmen kann man aufwendige Versuchsserien zur Prozessoptimierung minimieren. Auf Grundlage von LabWindows CVI und LabView werden prozessspezifische Softwaretools zur Prozesssteuerung und Überwachung, mit entsprechender Messdatenerfassung und –Sicherung entwickelt.

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Bereich Materialcharakterisierung

Grundlage für die Prozess- und Systementwicklung ist ein grundlegendes Verständnis der dielektrischen Eigenschaften eingesetzter Materialien. Für die entsprechende Charakterisierung werden unterschiedliche Messmethoden eingesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt bzw. mit neuen Messmethoden erweitert. Aktuell stehen diverser Teststände zur Verfügung:

  • Koaxialmesssonde für Messungen von verlustreichen Materialien
    (Frequenzbereich 0,5 bis 20 GHz, Temperaturbereich bis 150°C)
  • Transmissions / Reflexionsmessung im WR340
    (2,45 GHz, Temperaturbereich bis 200°C)
  • Resonator Methode für verlustarme Materialien
    (2,45 GHz, Temperaturbereich bis 1200 °C)

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Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsthemen

  Es existieren umfangreiche Erfahrungen auf folgenden Gebieten der Hochtemperaturprozesstechnik:
  • Keramik:  
    • Sintern
    • Entbindern
    • Kalzination
  • Glas:      
    • Wärmebehandlung
    • Rekristallisation
    • Glaslöten
    • Glasschmelzen
    • Schmelzen von Quarzsanden
  • Schichtsilikate:
    • Dehydroxylation
    • Interkalation
    • Reduktion von Schichtladungen
  • Metalle:        
    • Sintern
    • Schmelzen
    • Verhüttung
  • Glas- und Kohlefaser verstärkte Kunststoffe

Neben der Optimierung der Prozessparameter liegt die Herausforderung darin, die Mikrowellen spezifischen Vorteile gegenüber konventionellen Prozessen herauszuarbeiten. So werden die Untersuchungen im Allgemeinen durch eine entsprechende Materialcharakterisierung und Mikrostrukturanalyse begleitet.
Neben all diesen materialwissenschaftlichen Untersuchungen ist es immer eine neue Herausforderung, zusammen mit der Industrie das Potential dieser innovativen Technologie hinsichtlich einer Produktivitäts- und Qualitätssteigerung in industriellen Prozessen zu untersuchen.

 

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