Zur optimalen Auslegung von Induktoren, induktiven Härteprozessen und der Frequenzumrichter als Energiequelle setzen wir zielgerichtet Berechnungsmethoden und numerische Simuationswerkzeuge ein. Diese nutzen wir u. a., um Sie zur Machbarkeit des induktiven Erwärmungsprozesses für Ihre Anforderungen in der Wärmebehandlung zu beraten sowie um diesen in puncto Effizienz und praktischer Durchführbarkeit zu bewerten und zu optimieren.
Im Folgenden erläutern wir Ihnen die Einsatzmöglichkeiten unserer Berechnungsmethoden und deren Vorteile im Zusammenhang mit der induktiven Erwärmung.
Nutzen Sie unsere Kompetenz bei Simulationen und numerischen Berechnungen. Diese bieten wir Ihnen als Dienstleistung an – auch unabhängig von anlagenbezogenen Anfragen und Aufträgen.
In der Wärmebehandlung bietet die Erwärmung mittels Induktionstechnik viele Vorteile, u.a. da die Wärme hierbei direkt im jeweiligen Bauteil erzeugt wird. Im Vergleich dazu wird in der Wärmebehandlung mit‚ klassischen‘ Industrie-öfen ein Trägermedium in der Ofenatmosphäre benötigt, um die Energie in das Bauteil mittels Wärmeübergang zu übertragen.
Für die induktive Erwärmung gibt es werkstoff-seitig eine Voraussetzung: Das Bauteil muss aus elektrisch leitfähigem Material sein. Da viele Bauteile aus Metall sind und nahezu alle Metalle elektrisch leitfähig sind, eignen sich sehr viele Bauteile für die induktive Erwärmung. Weitere Anwendungsfälle finden sich auch bei nicht-metallischen leitfähigen Materialien wie z.B. Glas oder Graphit.
Vereinfacht erklärt funktioniert die induktive Erwärmung so:
Die Stellschrauben, um den Erwärmungseffekt maßgeschneidert für das gewünschte Ergebnis einzustellen, sind neben der Induktorform beispielsweise der Abstand zwischen Werkstück und Induktor (Koppelabstand), der Einsatz von Konzentratormaterial (feldführendes Material zur lokalen Verstärkung des Magnetfelds). die Frequenz und die Stromstärke.
Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld (siehe Abb. 1). Dieses Magnetfeld kann nach der so genannten ‚Drei-Finger-Regel‘ (oder auch ‚Rechte-Hand-Regel‘) dargestellt werden: Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand, zeigt der Daumen in Richtung des Stroms, und die gekrümmten Finger zeigen die Richtung der Magnetfeldlinien an.
Um das Magnetfeld zu konzentrieren, wird z.B. ein Kupferleiter zylindrisch zu einer Spule gewickelt (siehe Abb. 2). In der Mitte der Spule ist das Magnetfeld und damit ist dort der Erwärmungseffekt besonders stark.
Abb. 1: Jeder stromdurchflossene Leiter baut ein Magnetfeld auf.
Abb. 2: Innerhalb einer Spule kommt es zur Verstärkung des Magnetfelds.
Diese Induktor-Zylinderform ist wegen ihrer guten Koppeleigenschaften und ihres hohen Wirkungsgrads besonders gut geeignet für zylindrische Werkstücke wie z.B. Wellen, Rohre etc.
Bei der induktiven Erwärmung ergibt sich die Erwärmung im Bauteil aus
Die oben beschriebene Art der Erwärmung ist ein komplexer und hochgradig nichtlinearer Vorgang. Dabei sind verschiedene Parameter und Nebeneffekte zu berücksichtigen, z.B. die Entstehung des Magnetfelds, die Wechselwirkung mit dem Bauteil, auch „Einkopplung“ des Magnetfeldes bezeichnet, das Entstehen der Induktionsströme im Bauteil, die Berücksichtigung des Stromverdrängungs-Effekts (Skin-Effekt) sowie die Eindringtiefe und temperaturabhängige Materialeigenschaften.
Diese Einflüsse können über das Erfahrungswissen von Verfahrensexperten abgeschätzt werden. Aufgrund der Komplexität kommen diese hier jedoch an ihre Grenzen. Moderne Berechnungsmethoden wie das Computer Aided Engineering (CAE) bieten die Möglichkeit, diese komplexen Zusammenhänge zu berücksichtigen. Dafür wird ein mathematisches Modell des Induktionsprozesses aufgebaut, das auf den CAD-Daten basiert, und es werden für jede Komponente die Prozessrandbedingungen definiert wie z.B.
Anschließend erfolgt die Vernetzung des Modells mit der Finite-Element-Methode (FEM). Die Vernetzung (auch Diskretisierung genannt) ist für eine realitätsnahe Berechnung von großer Wichtigkeit. Dabei werden
Unter Berücksichtigung von Heiz- und Transportzeiten kann anschließend der Induktionsprozess berechnet werden (s. Abb. 3).
Auf Basis des erstellten Modells kommen die Stärken und Vorteile der CAE-Simulation zum Tragen: Zeit-, personal- und materialintensive Versuchsreihen wie z.B. das Erzielen des Optimums hinsichtlich
können mit geringem Aufwand virtuell ausgeführt werden. Dies führt einerseits zu einem vertieften Verständnis der Prozesse sowie andererseits zu neuen Erkenntnissen und Möglichkeiten und einem Denken „Out of the box“. Die Fragestellungen der
stehen dabei ebenfalls im Fokus.
In der Additiven Fertigung – also der Herstellung von Induktoren im 3D-Druck-Verfahren – bieten Simulationen ebenfalls einen Mehrwert: Per Simulation lässt sich bereits im Vorfeld des 3D-Drucks eine besonders vielversprechende Induktor-Variante festlegen. Neben der Prozesssicherheit bietet dies große Vorteile für die zielgerichtete Entwicklung „auf den Punkt“ sowohl für die Energieversorgung als auch für das Verfahren.
Um eine gewisse Härte im Bauteil zu erreichen, ist die geometrische Eindring-/Erwärmungstiefe von entscheidender Bedeutung: Nur dort, wo das Gefüge austenitisiert ist (Phasenumwandlung von Ferrit zu Austenit) und anschließend stark abgekühlt wird, kann überhaupt das Gefüge Martensit entstehen. Die Erwärmung selbst erzeugt noch keine Härte, aber sie ist die Voraussetzung für eine Härtezone. Die Kombination aus starker Erwärmung und starker Abkühlung kann eine Härtung (Martensitgefüge) zur Folge haben. Die geometrische Ausprägung der Martensitzone und die Absoluthärte sind dabei stark anwendungsabhängig.
Martensit zeichnet sich durch eine hohe Härte aus und findet häufig Einsatz in Komponenten, die tribologischen Belastungen ausgesetzt sind. Martensitisch gehärtete Bauteile verfügen über ausgezeichnete Härtewerte, die wiederum eine große Verschleißfestigkeit ermöglichen.
Die Frequenz ist keine direkte Einstellgröße am Frequenzumrichter. Sie ergibt sich aus der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, bestehend aus der Induktivität im Erwärmungsprozess, und der verbauten Kapazität in der Energieversorgung.
Die Frequenz hat einen entscheidenden Einfluss auf die Lage des induzierten Stromes und damit auf die Entstehung der Wärme im Bauteil. Ist das Material des Bauteils bekannt, lässt sich anhand dieser Berechnungsformel die Stromendringtiefe δ berechnen.
Neben den werkstoffspezifischen Größen Materialparametern p und µr ist die Frequenz die einzige freie Größe. Dies bedeutet, dass bei hoher Frequenz die Eindringtiefe sinkt.
Abb. 4: Berechnungsformel der Stromeindringtiefe; Quelle: Schreiner, A; Irretier, O (Hrsg): Praxishandbuch Härtereitechnik; Vulkan-Verlag GmbH, 2013; S. 223
Schematisch ist dies in der Abbildung 5 unten zu sehen:
Links sind die Feldlinien bei niedriger Frequenz angezeigt, in der Mitte die Feldlinien bei hoher Frequenz.
(Quelle: Schreiner, A; Irretier, O (Hrsg): Praxishandbuch Härtereitechnik; Vulkan-Verlag GmbH, 2013; S. 223)
In der Berechnung mittels CAE lässt sich die Eindringtiefe ebenfalls veranschaulichen:
Dieser Zusammenhang hat praktisch große Relevanz für die Erwärmungszone und damit für die Härtezone. Besteht die Aufgabe darin, sehr randschichtnah zu härten, ist eine hohe Frequenz zu wählen. Doch was ist hoch genug?
Die Netzfrequenz in privaten Haushalten hat eine Frequenz von 50 Hz. Das bedeutet: 50 Mal in der Sekunde wechselt der Strom die Richtung. Bei 1.000 Hz (1 kHz) wechselt der Strom und damit das Magnetfeld 1.000 Mal in der Sekunde die Richtung. Das müsste doch sehr hoch sein, oder?
Am Beispiel eines Zahnrads wird dies unten demonstriert. Der induzierte Stromfluss befindet sich abhängig von der Eindringtiefe eher konturnah oder am Zahngrund.
Abb. 8:
kleine Eindringtiefe, Strom fließt konturnah
=> Erwärmung der Zahnköpfe und -flanken
Abb. 9:
große Eindringtiefe, Strom fließt am Zahngrund
=> Erwärmung am Zahngrund
Das bedeutet: Für jede/-n
ergeben sich für diverse Heizzeiten unterschiedliche Ergebnisse. Hier kommen die Stärken der CAE wieder zum Tragen.
Durch das folgende Beispiel – ein Außenfeldinduktor, der durch einen Konzentrator bestückt wurde – lässt sich das oben erläuterte Prinzip in der CAE-Simulation für eine Innenverzahnung farblich darstellen:
Für die relativ hohe Frequenz von 1.000 Hz wird der Zahngrund maximal erwärmt. Dabei würden jedoch der Zahnkopf und die Zahnflanke nicht gehärtet. Dies kann so gewollt sein.
Abb. 10: CAE / Temperatur bei 1.000 Hz
Bei einer Erhöhung der Frequenz auf 200 kHz stellt sich das Temperaturbild rechnerisch anders dar: Hier zeigen die Zahnköpfe jeweils die höchsten Temperaturen. In Kombination mit einer zeitnahen Abschreckung ließe sich bei der hohen Temperatur auch ein hartes martensitisches Gefüge realisieren. Für eine hohe tribologische Belastung, also hohe Kräfte und Relativbewegungen auf den Zahnflanken, wäre dieses Temperaturbild deutlich besser geeignet.
Abb. 11: CAE / Temperatur bei 200 kHz
Zur Verifikation der Berechnungsergebnisse sind experimentelle Versuche von großer Bedeutung. Erst wenn das Experiment die berechneten Zusammenhänge deckt, kann in weiteren analogen Analysen von einer „richtigen“ CAE-Analyse ausgegangen werden. Daher sind vor allem bei neuartigen Berechnungen, neuen Materialien oder innovativen Induktorformen grundlegende Verifikationstests notwendig.
Die Eindringtiefe, abhängig von der Frequenz, wurde an identischen Zahnrädern jeweils für 20 kHz und 200 kHz ausgeführt. Durch die gleich gestaltete schnelle Abkühlung, wurden die in der Abbildung unten sichtbaren Härtezonen (siehe dunkle Bereiche) eingestellt.
Im Beispiel von 20 kHz (links) wurde eine konturnahe Härtung entlang des Zahnaußenkontur erreicht.
Rechts wurden bei einer zehnfachen Frequenz von 200 kHz nur die Zahnspitzen gehärtet.
Abb. 12: Einfluss der Frequenz auf die Härtezone am Beispiel eines Zahnrads
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