Die Induktionserwärmung wird üblicherweise für industrielle Wärmebehandlungen eingesetzt, haupt-sächlich für die Oberflächenhärtung, aber in einigen Fällen auch zum Durchhärten von Stahlprodukten. Während bestehende Prozesse bis zu einem gewissen Grad wiederholbar, kosteneffizient und schnell sind, treten bei unterschiedlichen Materialchemien und neuen Geometrien Schwierigkeiten auf.
Die computergestützte Modellierung des Prozesses bietet Mittel zur Lösung dieser Probleme und zur Erweiterung des Verständnisses der komplexen Wechselwirkungen zwischen Prozessdaten, Material-eigenschaften und Temperaturentwicklung in diesem multiphysikalischen Prozess. Die Computermodelle selbst beruhen jedoch auf Messungen, die einerseits Eingabedaten (wie Prozessbedingungen und physikalische Eigenschaften) liefern und andererseits eine Validierung der Simulationsergebnisse (wie Härte- und Spannungsverteilung) ermöglichen.
Um die notwendigen Prozessdaten zu liefern, wurde an der Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) ein Induktionsprüfstand aufgebaut (kleines Bild oben), der die Prozesskontrolle einer realen Produktionsanlage nachahmt und die Variation der Produktionsparameter im Labor ermöglicht. In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Stahl Judenburg wurden die Prozesskontrolle und die daraus resultierenden Ergebnisse sowohl im Labor als auch im realen Produktionsaufbau analysiert. Die Daten aus den verschiedenen Induktionsöfen zeigen, dass die Signalform des Induktionsstroms häufig von einem einfachen Sinussignal abweicht. Die Abweichung wurde mathematisch beschrieben und kann und kann nun in Multiphysik-Simulationen der Induktionshärtung verwendet werden, wo Verein-fachungen der Realität vorgenommen werden, um praktikable Modellgrößen zu gewährleisten. Die Entscheidung darüber, welche Vereinfachungen zulässig sind, basiert auf den tatsächlichen Prozessdaten des simulierten Induktionsofens. Öfen, bei denen die Induktionsströme eng einem
Sinussignal folgen, können mit einer einfachen zeitlichen harmonischen Darstellung beschrieben werden, der Energie vom stromführenden Induktor auf das erwärmte Bauteil innerhalb des Induktors überträgt. Komplexere Signale ziehen rechnerisch aufwendigere mathematische Darstellungen nach sich. Mit geeigneten Messtechniken können die Simulationen dazu verwendet werden, Korrelationen anderer Größen im multiphysikalischen System zu untersuchen, die nicht direkt gemessen werden können. Ein Beispiel ist die Wechselbeziehung zwischen chemieabhängigen elektromagnetischen Eigenschaften und der Wärmeentwicklung innerhalb des Bauteils. Dieses Wissen kann genutzt werden, um Industrieprozesse anzupassen und zu optimieren, was zu effizienteren Prozessen sowie zu kürzeren Anlauf-zeiten für neue Materialien und Geometrien führt.
Wirkungen und Effekte
Die Messtechnik zusammen mit Simulationsmodellen sind die Grundlage für die fortgeschrittene Charakterisierung von temperaturabhängigen elektromagnetischen Materialeigenschaften. Die entwickelten numerischen und experimentellen Techniken öffnen die Tür für die Online-Materialcharakterisierung im industriellen Kontext. Folglich werden die verbesserten Modelle zur Verbesserung der Online-Kontrolle des Produktions-prozesses eingesetzt.
Projektkoordination (Story)
Dr. Peter Raninger
Senior Scientist Digital Manufacturing Processes
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 3842 45922-29
peter.raninger(at)mcl.at
Projektpartner
Stahl Judenburg GmbH, Österreich
Robert Bosch GmbH, Deutschland
Engineering Center Steyr GmbH & Co KG, Österreich
BMW Motoren GmbH, Österreich
Technische Universität Wien, Österreich
Montanuniversität Leoben, Österreich