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Industrieöfen von Linn High Term

IndustrieöfenViel Leicht mit hoher Hitze

Viel Geld für nichts wäre übertrieben. Ein Funken Wahrheit steckt aber doch dahinter: Weniger Gewicht muss in der Regel teuer bezahlt werden. Noch bevor die Carbonfaser eine solche ist oder Metalle sich aufblähen können, stellt Linn High Therm die Weichen für eine energieeffizientere Produktion.

Polymer-Bindermatrix ausbrennen

Leichtbau wiegt schwer im Geldbeutel. Allein 50 und 75 Prozent der Gesamtwertschöpfung fallen auf die Gewinnung und die Verarbeitung von Rohstoffen sowie die Herstellung der Halbzeuge an. Zwar existieren Unterschiede zwischen dem Metall- und Kunststoff-Leichtbau, dennoch ist die hohe Relevanz des Materials über alle technischen Anwendungen hinweg zu erkennen. So lautet das Ergebnis der Kostenanalyse verschiedener Leichtbauverfahren, die das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) im Auftrag der Leichtbau BW 2014 koordiniert hat.

Um den Leichtbau aus der Nische der Spezial- oder Premiumanwendungen heraus in den Massenmarkt zu bringen, gilt es demnach, schon früh im Prozess die Kosten im Blick zu haben. So wollen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) und des Faserinstituts Bremen den fossilbasierten Ausgangsstoff für Carbonfasern, Polyacrylnitrile (PAN), durch die kostengünstigere Alternative Lignin, einem Biopolymer aus Holz, ersetzen. An einer anderen Stellschraube dreht Linn High Therm – der Prozesstechnik. Das 1969 gegründete Unternehmen entwickelt elektrisch beheizte Industrie- und Laboröfen, Induktions- und Mikrowellenerwärmungsanlagen sowie Probenvorbereitungsanlagen für die Spektroskopie. Zudem erarbeitet das Eschenfeldener Familienunternehmen Sonderanfertigungen beispielsweise für die Wärmebehandlung von PAN (Polyacrylnitrile)- und Lignin-Fasern oder für die Metallschaum-Komposite-Herstellung. So entstanden unter anderem für das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen, Labor- und Pilotanlagen für die Oxidation (Stabilisierung) sowie die Folgeprozesse der Carbonisierung und Grafitisierung von PAN-Fasern im Bereich von 1 bis 50 K Fadendicke.

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Im Detail besteht solch eine Pilotanlage aus einem 4-Zonen-Oxidationsofen (Heizleistung 15 kW), der auf 8.000 Millimetern die Precursorfasern – sie stammen aus einem lösungsmittelbasierten Spinnprozess – bei 325 °C stabilisiert. Anschließend durchlaufen die Fasern einen zweistufigen Aufbau zur Carbonisierung und Grafitisierung und Verweilzeiten mit dazwischen befindlicher Gaseinspeisung. Der Carbonisierungsofen erreicht mit einer Heizleistung von 20 kW eine Temperatur von 1.100 °C, während im Grafitisierungsofen Temperaturen von rund 1.650 °C herrschen, die optional auf bis zu 2.100 °C erhöht werden können. Die Heizleistung dafür liegt bei insgesamt 160 kW.

Da der erste Wärmebehandlungsschritt unter Luftatmosphäre stattfindet und gesundheitsgefährdende Stoffe freisetzt, richteten die Entwickler ihr Augenmerk auf die entsprechende Abluftführung, deren Überwachung sowie Nachbehandlung mittels thermischer Nachverbrennung (TNV).

30 Prozent weniger Energie

Für den Carbonisierungsofen hatten die Experten aus Eschenfelden zunächst zwei Lösungen erarbeitet. Während die erste, eine Verbundlösung mit einem Koppelelement, mangels genügender Effizienz verworfen wurde, präsentiert sich die zweite Lösung als Stand-alone-System. Dieses wurde weiterentwickelt und mit einem Vorabzug für die Schadstoffabfuhr versehen. Die Schadstoffe können dann der TNV zugeführt werden.

„Trotz Schleusentechnik und Vorabzugstechnik kann das System als dicht bezeichnet werden“, weiß Rudolf Linn, Projektleiter Produktentwicklung bei Linn High Therm. „Dies ist die Voraussetzung, um Restsauerstoffwerte von kleiner 100 ppm im Nutzraum des Carbonisierungsofens bis ca. 1.000 °C erreichen zu können. Anderenfalls würde der Precusor beschädigt werden bzw. der Wärmebehandlungsprozess nicht funktionieren.“

Stabilisierung im Oxidationsofen

Für den Hochtemperaturbereich von 1.100 bis 2.600 °C arbeitete der Hersteller zunächst mit Grafitisolierung und -heizern in den Rohröfen. „Jetzt setzen wir auf eine induktive Lösung bei dieser Ofenvariante“, erklärt Linn. Diese bringe eine kompaktere Bauform mit sich, die sich wiederum im geringeren Medienverbrauch von Schutzgas und Kühlwasser niederschlage. Als wichtigsten Punkt nennt Linn die Energieeinsparung: „Es können sicher Energieeinsparungen größer 30 Prozent bei vergleichbaren Investitionskosten erreicht werden.“

Linn High Therm beschäftigt sich jedoch nicht nur mit der Konvertierung der Carbonfaser, sondern auch mit ihrer Wiederverwertung. Daher hat das Unternehmen eine Pilotanlage zum Recycling von Carbonfasern entwickelt. Der Banddurchlaufofen kombiniert die Widerstandsbeheizung mit einer Infrarot- und einer Mikrowellenheizung. In dem zum Patent angemeldeten Ofen werden die Fasern durch Erhitzen und Ausbrennen der Polymer-Bindermatrix wiedergewonnen.

Effiziente Heiztechniken sind auch für Leichtbauteile aus Metall entscheidend. So werden Metallmischungen mittels Wärme in zelluläre Metallkörper mit Makroporosität umgewandelt und gegebenenfalls unmittelbar zu Sandwichplatten weiterverarbeitet. Linn High Therm hat für die Herstellung von Magnesiumschäumen Schutzgasöfen der Baureihe KS-S modifiziert. Dazu gehören infrarotbeheizte Durchlauföfen mit hitzebeständigen Stahlgussrollen, die großflächige Bauteile durch die Ofenanlage transportieren. Von Nutzen ist diese Technik unter anderem für das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU). Die Wissenschaftler setzten die Wärmebehandlung im Rahmen der pulvermetallurgischen Verfahrensroute der Schaumherstellung ein. Neben seiner Tragfähigkeit punktet der Aluminiumschaum unter anderem durch seine energieabsorbierenden Eigenschaften beim Crash. Zudem kann der Schaum einen Stoffschluss mit Metallen eingehen – er fungiert ähnlich einem Klebstoff als Fügewerkstoff. cs

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