Institutsbericht 2021
Institute of Computational Physics
1.14 Entwicklung eines neuartigen IR-Heizungskonzepts für das kontaktlose Schweissen von Kunststoffrohren Ist beim Fügen von Kunststoffrohren zu kompletten Rohrleitungssystemen die Reinheit der Schweissnähte zentral, kommt häufig die Infrarot-Schweisstechnik zum Einsatz. Dabei werden die Rohre an ihren Stirnflächen zuerst über eine Infrarotheizung mittels Strahlungswärme erhitzt, bis der Kunststoff schmilzt, und anschliessend zusammengepresst. Die Kunststoffschmelzen verbinden sich und durch das Abkühlen entsteht eine stoffschlüssige Verbindung. Mit der Einführung eines neuartigen IR-Heizungskonzepts sollen das Aufheizen und somit der gesamte Schweissprozess verkürzt werden. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
N. Jenal, M. Gorbar, S. Spirig, T. Hocker, C. Brändli ZHAW-IMPE-Teams C. Brändli und D. Penner, Georg Fischer Piping Systems Innosuisse 2018–2021
Die bisherige Heizung besteht aus einer massiven Platte mit hoher thermischer Masse und zeichnet sich durch eine homogene Oberflächentemperatur aus. Diese über Jahrzehnte bewährte Heiztechnologie hat jedoch zwei entscheidende Nachteile: Die Heizung ist sehr träge und die grossflächige Wärmeabgabe kann zu einem ungleichmässigen Aufschmelzen der Rohrenden führen. Daher wurde in Zusammenarbeit mit Georg Fischer Piping Systems ein neues IR-Heizungskonzept entwickelt, mit welchem die Heizung dynamisch, zonenbasiert und adaptiv betrieben werden kann. Die neue Heizung besteht aus mehreren feinen Heizdrähten auf einem Keramiksupport, die einen gezielten und ökonomischen Aufwärmprozess ermöglichen. Dieses Konzept wurden über thermisch-fluidische Computermodelle entwickelt und mithilfe eines designierten Schweissprüfstands verifiziert, siehe Abb. 1.
Schmelzfront
Abb. 2: Mikrotomschnitt einer Schweissnaht im Lichtmikroskop.
Der Schritt von einer kleinen zu einer grossen, anwendungsnahen Prototypenheizung stellt jedoch eine weitere Hürde dar. Um diesem Ziel näher zu kommen, wird eine Kombination aus theoretischen und experimentellen Methoden verwendet. Beispielsweise werden unerwünschte, inhomogene Temperaturverteilungen an der Heizdrahtoberfläche aufgrund von thermisch leitenden Kontaktstellen zwischen Heizdraht und Support über CFD-Modelle optimiert, siehe Abb. 3.
Heizung Probenhalter Abb. 1: Prüfstand zum Verschweissen von Kunststoffproben. Abb. 3: Temperaturverteilung auf der Heizdrahtoberfläche.
Mit der neuen IR-Heizung konnte gezeigt werden, dass sich die verwendeten quaderförmigen Kunststoffproben optimal verschweissen lassen. Ihre Schmelzfronten wiesen entlang der Wandstärke eine sehr gleichmässige Form auf, siehe Abb. 2.
Zürcher Fachhochschule
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