Statt Heizfolien aus Polymeren von Hand aufkleben zu müssen, hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, ein Verfahren auf Basis des Dispersionsdrucks entwickelt, mit dem Titanrohre von sechs Millimetern Durchmessern dünne Keramik-Silber-Heizungen erhalten. Die Titanrohre finden ihren Einsatz in der Raumfahrt und transportieren Gase oder Flüssigkeiten. Zunächst isolieren die Fraunhofer-Ingenieure diese Röhrchen in einer thermischen Spritzanlage mit einer dünnen Keramikschicht. Dann bringen sie mit einer Dispersionsdruckmaschine die Heizelemente auf, die äußerlich den Windungen eines Flusses ähneln. Durchfließt später ein Strom das metallische Mäander, setzt es Wärme frei, wie die Wärmebildaufnahme zeigt:
Das Dispersionsdruck-Verfahren und seine Vorteile
Um dieses heizende Muster zu erzeugen, füllen die Spezialisten eine Kartusche mit einer besonderen Paste, die kleine Silberteilchen enthält. Einsetzbar sind aber auch Pasten mit Partikeln aus Kupfer, Nickel oder anderen leitfähigen Metallen. Druckluft presst das zähflüssige Material dann durch die Kartusche hin zu einer feinen Kanüle. Diese Hohlnadel druckt schließlich das etwa zehn Mikrometer dünne Heizmuster auf die keramikisolierten Rohre, die sich dabei auf einer Welle drehen. Dabei muss der Druckkopf die ganze Zeit über einen konstanten Abstand zur Keramikschicht halten – und das nicht auf einer zweidimensionalen Fläche, sondern eben auf einem gekrümmten Rohr. Dies ist eine ganz besondere Herausforderung, die das Fraunhofer IWS durch ein Zusammenspiel aus Wellen- und Kanülensteuerung gelöst hat. Solch eine Lösung beinhaltet gleich mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Heizfolien zum Aufkleben:
- Die Handarbeit fällt weg, die Heizungen lassen sich automatisiert drucken.
- Kompliziert geformte Objekte lassen sich passgenau beschichten.
- Die im Dispersionsdruck additiv gefertigten Heizungen sind preiswerter und flexibler herzustellen.
- Sie sollen, besonders bei hohen Betriebstemperaturen, länger halten, zuverlässiger funktionieren und mehr Langzeit-Heizleistung erreichen als herkömmliche Lösungen.
- Erreichbar sind höhere Leistungsdichten, Material- und Zeitersparnisse.
- Zudem können die Hersteller vorab testen, wie gut die gedruckten Heizungen im Praxiseinsatz funktionieren werden.
Polymer-Heizfolien versus Keramik-Silber-Heizungen
Die Nachteile der bisher eingesetzten Heizfolien aus Polymeren sind vielfältig: Im Klebeprozess können unerkannt kleine Gasbläschen eingeschlossen werden. Die Bläschen dehnen sich im Vakuum des Weltraums aus. Das senkt letztlich die Heizleistung. Außerdem scheiden die Folienheizungen jenseits der 300 °C aus. Solche Betriebstemperaturen halten Kunststoffe dauerhaft nicht aus. Bisher sind die gedruckten Heizelemente aus dem Fraunhofer IWS für bis zu 200 °C ausgelegt.
Durch neue Pastenkompositionen und andere Weiterentwicklungen wollen die Dresdner Forscher diese Grenze künftig auf etwa 800 °C anheben. Eine weitere Verbesserung steht zusätzlich auf der Forschungsagenda des Instituts: Damit die gedruckten Heizungen Wärme liefern, benötigen sie einen Stromanschluss. Was bislang in Form von Lötverbindungen gelöst wird, soll im nächsten Schritt über effektivere Kontaktierungsmethoden funktionieren.
Andere mögliche Anwendungsbereiche
Neben der Raumfahrt winken im Übrigen ganz irdische Anwendungsmöglichkeiten: Vorstellbar sind beispielsweise filigrane Heizungen, die störendes Kondenswasser von Spiegelreflexkameras oder von den Kameralinsen autonom fahrender Fahrzeuge fernhalten. Auch für die Chemie-, Halbleiter- oder Lebensmittelindustrie, deren Rezepte oft nur bei präzise eingepegelten Temperaturen funktionieren, sind Rohrsysteme mit passgenau aufgedruckten Heizungen interessant. (eve)
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 / 83391–0
E-Mail: info@iws.fraunhofer.de
Website: www.iws.fraunhofer.de
