Wärmeisolation auf kleinstem Raum

Die wichtigste Anwendung für Vakuum-Isolations-Paneele (VIP) ist die als hocheffiziente und platzsparende Dämmung für Container, Fahrzeugaufbauten, Kühltransporte und Thermoboxen.

Als Teil von Verpackungslösungen sorgen sie für für den sicheren Transport von temperatursensiblen Lebensmitteln, Arzneimitteln, Organen, Gewebe, Impfstoffen und Blutkonserven.

Denn die Dämmung mit VIP sorgt bei gleichem Einsatz von Kühlelementen gegenüber anderen Dämmmaterialien für eine deutlich längere Temperierung im gewünschten Temperaturbereich. Dank der Kompaktheit ist zudem das Transportvolumen bei denselben Außenmaßen spürbar größer. Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich der Paneele ist die platzsparende Dämmung von Gebäuden. Vor allem bei der Sanierung von Altbauten und bei Neubauten in Gegenden mit hohen Quadratmeterpreisen ist der Gewinn an Wohnraum ein Vorteil.

Hergestellt werden die VIP in einem aufwendigen Verfahren auf speziell konfigurierten Anlagen. Einer der weltweit wichtigsten Anbieter ist Wickert Maschinenbau aus Landau in der Pfalz. Das Familienunternehmen entwickelte bereits vor mehr als 15 Jahren die erste Presse. Seitdem hat es zahlreiche kundenspezifische Anlagen an Produzenten der Isolationsmaterialien in Europa und den USA verkauft.

Passive Dämmung über 72 Stunden

Bis 2019 führten VIP ein Nischendasein, und auch der Pressenverkauf bewegte sich auf einem niedrigen Niveau. „Zu Beginn der Coronapandemie ist der Markt für Vakuum-Isolations-Paneele dann förmlich explodiert“, berichtet Steve Büchner, Vertriebs- und Projektmanager bei Wickert. Die Platten werden zur Isolation von Versandboxen benötigt, um die gekühlten Covid-19-Impfstoffe platzsparend und zuverlässig zu transportieren. Vor allem bei Luftfracht ist das kompakte Material sehr gefragt. Die gestiegene Nachfrage nach Paneelen führte bei dem Maschinenhersteller zu einer ganzen Reihe von Anfragen für entsprechende Pressen.

In Behältern mit passiver VIP-Dämmung ist über 72 Stunden eine Temperatur zwischen -25 und -15 °C sichergestellt, beispielweise für den Transport entsprechend zu kühlender Arzneimittel oder Lebensmittel. Kühlkettenpflichtige Pharmaprodukte sowie Lebensmittel, die Umgebungstemperaturen zwischen 2°C und 8°C verlangen, können sogar über 96 Stunden zuverlässig temperiert werden – bei Umgebungstemperaturen von 22°C bis 40°C. So lautet die Zusage der Anbieter entsprechender Verpackungslösungen. Die Wirksamkeit der VIP beruht auf einer besonders geringen Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,004 Watt pro Meter und Kelvin. Zum Vergleich: Mineralwolle leitet Wärme rund fünfmal besser, bei Styropor in Form von expandiertem Polystyrol (EPS) liegt der Wert sogar zehnmal so hoch.

Auf den ersten Blick ähneln die Paneele großen und flachen Paketen vakuumverpackten Kaffees, nur dass ihre Hülle eher silbern als golden glänzt. Im Inneren befindet sich statt gemahlener Bohnen meist ein aus Sand gewonnenes Kieselsäurepulver mit einer mikroporösen Struktur. Überwiegend wird hierfür ein pyrogenes – also über einer Flamme erhitztes – Siliziumoxyd verwendet. Verschiedene beigefügte Additive verringern in einem ersten Schritt die Wärmeleitfähigkeit der Kieselsäure.

Dieses Pulvergemisch bildet den Ausgangsstoff für die Paneele. Unter Druck wird dann das lose Ausgangsmaterial in einen formstabilen Kern gepresst. Die anschließende Umhüllung mit einer hochdichten metallisierten Kunststoffverbundfolie ist dafür verantwortlich, dass das Vakuum im Inneren erhalten bleibt. Außerdem sorgt sie dafür, dass keine Gase oder Wasserdämpfe eindringen können, die die Dämmwirkung ebenfalls beeinträchtigen würden.

Vollautomatisiert gefertigt

Für die VIP-Produktion bietet Wickert eine abgestimmte Komplettlösung an, die neben der Presse das Fertigungswerkzeug und eine Dosiereinheit umfasst. Mit diesem Gesamtkonzept kann eine sehr homogene Dichte erzielt werden. Sie ist die Voraussetzung dafür, dass die hohe Qualität der Paneele über die gesamte Pressfläche sichergestellt und somit auch die angestrebte Dämmwirkung erreicht wird. Bei den Spezialpressen wird die hochdisperse Kieselsäure schonend und homogen verteilt. Stäube und Schmutz werden weitestgehend vermieden, da sie bereits dort abgesaugt werden, wo sie entstehen. So wird eine saubere Produktion möglich.

Die exakte Positionierung und der gleichmäßige Druckaufbau am Pressenstempel sorgen zudem für ein präzises Pressen des Materials mit einer homogenen Dichte über das gesamte Paneel hinweg. „Zu uns kommen die Hersteller von VIP, weil wir ihnen das Know-how und die Anlagen für eine perfekte, auf Wunsch vollautomatisierte Fertigung bieten können“, hebt Büchner hervor. „Daher kaufen Kunden gern ganze Produktionslinien einschließlich dem passenden Spezial-Werkzeug mit mikroporösen Stempeln.“ In diesem Fall tritt der Maschinenbauer als Generalunternehmer auf, der die Peripheriekomponenten von Drittanbietern inte­griert und die schlüsselfertige Anlage liefert.

Jede Pulverpresse ist für eine bestimmte Paneelgröße ausgelegt. Meist liefert das Unternehmen Anlagen, auf denen Werkzeuge für Standard-Plattengrößen von 1.200 x 1.000 mm bis 2.000 x 2.000 mm eingesetzt werden. Auf das jeweilige Paneel abgestimmt ist auch die dazugehörige Dosiereinheit. „Wir können aber auch nahezu jedes andere Format anbieten“, sagt Büchner. Da die Pressen modular aufgebaut sind, lassen sie sich auf kundenspezifische Anforderungen hin individualisieren. Umfangreiche Automatisierungslösungen können ebenfalls realisiert werden. Bei Pulverpressen reicht normalerweise eine Presskraft zwischen 1.000 und 2.000 kN, wenig im Vergleich zu den 100.000 kN, die manche Elastomerpressen des Maschinenbauers aufbringen.

Ein automatisierter Fertigungszyklus für Vakuum-Isolier-Paneele dauert je nach Paneeldicke circa zwei bis sechs Minuten. Er beginnt damit, dass die mit Additiven angereicherte pyrogene Kieselsäure aus einem Mischer zur Presse gefördert wird. Dort wird die für ein Paneel benötigte Menge gravimetrisch in einen Befüllkasten dosiert, der neben dem Pressenraum montiert ist. Über Wägezellen wird das Pulver gewogen und das Gewicht mit der Vorgabe abgeglichen.

Dann fährt der Befüllkasten von der Seite in den Pressenraum. Oberhalb des unteren Werkzeugs hält er an. Jetzt öffnen sich an der Unterseite Schieber, sodass das Pulver nach unten auf das Unterwerkzeug rieselt. Dabei sorgen verschiedene Verteilsysteme im Befüllkasten dafür, dass das Material gleichmäßig in der Form verteilt wird und nicht verklumpt. Gleichzeitig fährt der Unterstempel langsam abwärts. Mit dieser saugenden Befüllung wird sichergestellt, dass das Pulver nicht in die Form fällt und ungewollt vorverdichtet wird.

Sobald der Befüllkasten geleert ist, fährt er zurück in seine Ausgangsposition. Gleichzeitig verschließt der Oberstempel das Werkzeug. Anschließend wird das Material unter Druck um bis zum Faktor sieben verdichtet und das Paneel auf die Zieldicke zwischen fünf und 60 mm verpresst.

Werkzeuge mit mikroporösen Stempeln

Während des Pressvorgangs wird die im Pulver enthaltene Luft über die mikroporösen Stempel des Werkzeugs herausgesaugt. Nach der Verdichtung drückt der Unterstempel das Paneel aus der Matrize heraus. Dabei wird vom Oberstempel eine einstellbare Auflast auf die Platte erzeugt, sodass eventuell eingeschlossene Luft seitlich entweichen kann. Damit wird verhindert, dass das Paneel beim Öffnen aufreißt. Aus dem Werkzeug gelöst wird das Paneel dann durch eine Umkehrung des Vakuums. Hierbei wird von außen Druckluft durch die mikroporösen Werkzeugplatten geleitet.

Zur gleichen Zeit wird der Befüllkasten wieder mit neuem Pulver gefüllt. Beim erneuten Einfahren in den Pressenraum fördert er das fertige Paneel behutsam aus der Presse heraus. Wägezellen und berührungslose Abstandssensoren prüfen nun das Gewicht und die Dicke des Paneels. Sollte ein Fehler gemessen werden, korrigiert die Presse automatisch die Pulvermenge für den Befüllkasten sowie die Zieldicke des Pressstempels.

Energieverbrauch minimieren und Ressourcen schonen

Für die Zukunft sagt Büchner eine zunehmende Nachfrage für Vakuum-Isolations-Paneele voraus. Wärmeisolation sei ein guter und einfach umzusetzender Weg, um den Energieverbrauch zu minimieren und Ressourcen zu schonen. Seine Einschätzung: „Ein bewusster und sparsamer Umgang hat in unserer Gesellschaft und bei den Verantwortlichen in Politik und Verwaltung mittlerweile einen großen Stellenwert.“

Er rechnet damit, das Vakuum-Isolations-Paneele sowohl im Baugewerbe als auch bei Industrieanwendungen und in der Medizintechnik verstärkt eingesetzt werden. „Ich freue mich darüber, dass wir von Wickert mit unseren Pulverpressen die richtigen Fertigungsanlagen für eine energiesparende Dämmung bieten können.“