Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dispersionen für Heizelemente
Gewickelte metallische Drähte, gedruckte Metallbahnen und Graphitschichten sind die bekanntesten Formen von elektrischen Widerstandsheizungen und somit Stand der Technik. Die Betrachtung der Vor- und Nachteile metallischer Widerstandsheizungen macht schnell klar: Es gibt Alternativen mit klaren Vorzügen hinsichtlich der Funktionalität und Anwendungsflexibilität.
Vor- und Nachteile metallischer Widerstandheizungen
Vorteile der metallischen Widerstandsheizung liegen in der ausgereiften Technologie und hohen Wärmeleistung. Graphitschichten ermöglichen die Herstellung einer vollflächigen und homogenen Widerstandsheizung. Die Nachteile der bestehenden Systeme liegen bei den Verbundwerkstoffe in Kombination mit metallischen Partikeln im sehr engen Übergangsbereich (Perkolationsschwelle) vom isolierenden zum leitenden Material. Beim Graphit wird ein hoher Füllungsgrad benötigt, was die mechanischen Eigenschaften schwächt. Ein niedrigerer Füllungsgrad erlaubt nur geringe Leistungen. Darüber hinaus stößt man bei höherer Leistung auf die Grenzen der mechanischen Belastung von Graphitschichten. Sie werden spröde und verlieren an Haftung. Für komplexe Oberflächen geht ein hoher Aufwand bei der Auslegung der metallbasierten Widerstandheizung einher. Gleichzeitig ist ein großer Raumbedarf notwendig, um diese unterzubringen.
Carbon Nanotubes (CNT) als alternatives Material für Heizelemente
Kohlenstoffnanoröhren, so genannte Carbon Nanotubes (CNT) sind Partikel mit einer großen spezifischen Oberfläche, einem hohen Aspekt-Verhältnis (Länge zu Durchmesser), die metallische und halbleitende Eigenschaften aufweisen. Dadurch können, auf Carbon Nanotubes basierende funktionale Materialien erstellt werden, die eine attraktive Alternative gegenüber den metallischen Materialien oder Graphit darstellen:
Große Oberfläche
Geringer Füllstoffgrad um die elektrische Leitfähigkeit im System zu erreichen (niedrige Perkolationsschwelle)
Großes Aspekt-Verhältnis
Auch bei mechanisch beanspruchten Bauteilen (z. B. Biegung) kann das elektrische Netzwerk aufrechterhalten werden. Die faserähnlichen Partikel bleiben in Kontakt, gleiten aneinander und der Elektronentransport wird nicht unterbrochen, wie es im Gegensatz z. B. bei sphärischen Partikeln der Fall ist.
Metallische und halbleitende Eigenschaften
In Kombination mit dem Füllungsgrad wird ein breites Feld für die Spannungsversorgung ermöglicht.
Elektrische Fußbodenheizung
Elektrische CNT-Flächenheizung
Projektbeispiel eines CNT-Heizelements in der Verkleidung einer Fahrzeugtüre.
Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA: Wie wir Unternehmen unterstützen können.
In Rahmen von Entwicklungsprojekten unterstützen wir unsere Projektpartner bei der Auswahl der richtigen Matrixmaterialien, Additiven, Stabilisatoren und Verarbeitungsprozessen. Somit konnten die benötigten Eigenschaften von Dispersions- und Verbundwerkstoffen erreicht werden. Des Weiteren begleiteten wir unsere Projektpartner entlang der Entwicklung, indem wir sie bei der Auslegung des Gesamtprozesses und der Integration in die Anwendung unterstützten. Automatisierungsgrad, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit werden bereits während der Entwicklung berücksichtigt und entsprechend gesteuert.
Projekt- und Anwendungsbeispiele
WINDHEAT
WINDHEAT – Eiserkennung und Enteisung von Windkraftanlagen
Aufgabenstellung:
Entwicklung eines kostengünstigen und energieeffizienten Eiserkennungs- und Enteisungs-Systems für Kleinwindkraftanlagen
Nutzen:
- Schnelle Detektion von Eis und gefrierendem Wasser
- Schnelle Enteisung des Rotorblatts
- Effizienzsteigerung der Windkraftanlagen
Projektpartner: Geolgica (E), Polycam (E), ALCEA (I), Kenersys (D), Lincis (P), Inspiralia (E)
Förderung: FP7-SME-2012-1-34893
Bilder: ©Fraunhofer IPA, Enteisungs-Systems für Kleinwindkraftanlagen.
HyMovDelce
HyMovDelce – Innovative Hybrid-Enteisungssysteme auf Steuerflächen
Aufgabenstellung:
Entwicklung eines multifunktionalen Schichtaufbaus mit einer auf Kohlenstoff basierenden, heizbaren Beschichtung sowie elektrisch und thermisch isolierenden Lackschichten. Dazu gehörten die Formulierung, Applikation und Optimierung nach diversen Tests. Die Charakterisierung der entwickelten Schichten hinsichtlich der Energieeffizienz wurde in begleitenden Eis-Wind-Kanal-Tests des IFAM durchgeführt.
Nutzen:
- Effizienzsteigerungen anhand einer neuen Generation von Eisschutzsystemen, die eine Reduzierung des Bauraum für die Unterbringung der Heizelemente sowie Gewichtseinsparung ermöglicht
- Technologietransfer in die Anwendungsbereiche des Schienenfahrzeugbaus, Automotive und des Energiesektors
Partner: Airbus Operations GmbH, Airbus Defence and Space GmbH, Airbus Group Innovations, Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V., Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Technische Universität Braunschweig - Institut für Adaptronik und Funktionsintegration, Bender GmbH Maschinenbau und Streckmetallfabrik, Mankiewicz, Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Förderkennzeichen: 20Y1512E
Bilder: ©Fraunhofer IPA
AFKAR
AFKAR - Autonomes Fahren und Karosseriekonzept für ein All-Electric-Car
Aufgabenstellung:
Integration von Flächenheizungen auf Basis von CNT-Beschichtungen
Nutzen:
- Energieeffizienz durch die Nähe zu den Insassen
- Schnelle Wärmeentwicklung aufgrund der geringen Wärmekapazität
- Gewichteinsparung und automatisierte Produktion
Projektpartner: Einzelvorhaben innerhalb des Clusters Bauweisen und Infrastruktur
Förderung: FSEM – Fraunhofer Verbundprojekt Systemforschung Elektromobilität
Bilder: © Fraunhofer IPA, Wärmebildaufnahme der integrierten Heizung (links) und „Blick unter die Haut“ (rechts).
Silikon Heizpad
Aufgabenstellung:
Entwicklung eines Silikon Heizpads (Widerstandsheizelement)
Nutzen:
- System ohne chemische Reaktion – elektrisch betrieben und steuerbares Heizsystem
- Die CNTs konnten in Silikon eingearbeitet werden – Atmungsaktives Komposit
Bilder: ©Fraunhofer IPA, Silikon Heizpad (links) und die Wärmebildaufnahmen (rechts).
Energieeffizienter Heizlüfter
Aufgabenstellung:
Entwicklung eines Heizlüfters (Widerstandsheizelement), mit einer niedrigen Betriebstemperatur unter Beibehaltung der Luftstrombedingungen (kein Druckabfall)
Nutzen:
- Hohe Flexibilität
- Einfache Adaption des Heizelementes an die Lüftungsgeometrie und die notwendige Leistung durch Anpassung der Rohrleitungslänge, Wandstärke, etc.
- Niedrige Betriebstemperatur und verbesserte Sicherheit: < 110 °C (von ca. 700 °C)
Bilder: © Fraunhofer IPA, Produktentwicklung vom konventionellen Heizlüfter (links) über die Simulation (Mitte) zum Prototypen (rechts).
Bild: ©Fraunhofer IPA, Betrachtung der Wärmeentwicklung im Simulationsprogramm in Vergleich mit der Wärmebildaufnahme des Prototypen