Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ganzheitliche Modellierung des Kurzzeitanlassens im Prozess des induktiven Randschichthärtens

Das Induktionshärten ist ein energieeffizientes Verfahren, bei dem durch prozessbedingte thermische Gradienten zwischen Rand- und Kernbereich rissinduzierende Eigenspannungen entstehen. Diesen wird konventionell durch ein Ofenanlassen in der 1. Stufe bei einer mehrstündigen Dauer begegnet, was für die Prozesskette zusätzliche Transport- und Energiekosten bedeutet. Eine ressourcensparende und umweltschonende Alternative ist das Induktionsanlassen mit einer Dauer von wenigen Sekunden und der Möglichkeit der Integration in eine laufende Fertigungslinie. Hierdurch ist eine Flexibilisierung der bestehenden Prozesskette des Induktionshärtens bei gleichbleibender Produkt- und Prozessqualität und gleichzeitiger ökologischer Prozessaufwertung realisierbar.

Vor Allem kleinen und mittleren Unternehmen können dadurch die Vorteile eines innovativen, investitionskostensparenden, ressourcen- und kapazitätsschonenden Verfahrens des Anlassens aufgezeigt werden. Die empirische Ermittlung der Induktionsanlassparameter ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden, der die Zurückhaltung potentieller Anwender gegenüber diesem Verfahren begründet. Durch eine virtuelle Prozessauslegung könnte der Aufwand deutlich reduziert und somit die Attraktivität dieser innovativen Anlasstechnologie gesteigert werden. Existierende Induktionsanlassmodelle fokussieren sich auf die Abbildung elektromagnetisch-thermischer Prozesse und der resultierenden Werkstoffhärte, ohne Betrachtung des vorhergehenden Induktionshärteprozesses.

Vom aktuellem Forschungsdefizit ausgehend liegt das Ziel des Vorhabens in der Entwicklung eines ganzheitlichen numerischen Modells zum Induktionsanlassen in der Prozesskette des Induktionshärtens, mit dem eine effiziente Ermittlung optimaler Anlassparameter mit gemäßigtem Aufwand und eine Vertiefung des Prozessverständnisses ermöglicht werden soll. Das Modell soll exemplarisch in eine kommerzielle Simulationssoftware implementiert und auf experimentellem Wege validiert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die Auslegung eines Induktionsanlassprozesses ist für die Härtereien und Zulieferer der KMU-Betriebe eine wirtschaftliche Investition, die mit hohen Anfangsrisiken verbunden ist. Für eine Auslegung müssen viele Prozessgrößen im Vergleich zum klassischen Ofenanlassen neu bestimmt und ausgearbeitet werden. Weiterhin sind ohne die numerische Simulation des Prozesses viele Versuchsreihen notwendig, welche nur auf eine Geometrie abzielen und dadurch enorme Ausgaben verursachen. Durch die Untersuchungen an den beiden Forschungseinrichtungen, dem ETP und IW der Leibniz Universität Hannover, wurde KMUs die Machbarkeit des Induktionsanlassens bzw. die effiziente Nutzung dieser innovativen Technologie aufgezeigt. Variationen bei kostspieligen Nacharbeiten in der Auslegung der Grundparameter wie Induktorgeometrie und der elektrischen Parameter können dadurch vermieden werden. Entwicklungen in diese Richtung animieren die beteiligten Unternehmen, den energie- und somit kostensparenden Prozessschritt einzusetzen. Durch die Umstellung würde die Notwendigkeit der großen bzw. teuren Öfen in der Härtereiindustrie und die damit einhergehenden Investitionskosten entfallen. Für kleine Betriebe wäre das ein finanzieller Vorteil gegenüber größeren Unternehmen, da die Investitionsrisiken hierdurch abnehmen würden. Durch die ganzheitliche Analyse der Prozesskette des Induktionshärtens/-anlassens unter Beteiligung von Herstellern von Induktionshärtesystemen und -anwendern in Form von Härtereien wurde ein nennenswerter Beitrag zur Entwicklung von Normen und Standards geleistet. Die Auslegung eines Induktionsanlassprozesses ist für die Härtereien und Zulieferer der KMU-Betriebe eine wirtschaftliche Investition, die mit hohen Anfangsrisiken verbunden ist. Für eine Auslegung müssen viele Prozessgrößen im Vergleich zum klassischen Ofenanlassen neu bestimmt und ausgearbeitet werden. Weiterhin sind ohne die numerische Simulation des Prozesses viele Versuchsreihen notwendig, welche nur auf eine Geometrie abzielen und dadurch enorme Ausgaben verursachen. Durch die Untersuchungen an den beiden Forschungseinrichtungen, dem ETP und IW der Leibniz Universität Hannover, wurde KMUs die Machbarkeit des Induktionsanlassens bzw. die effiziente Nutzung dieser innovativen Technologie aufgezeigt. Variationen bei kostspieligen Nacharbeiten in der Auslegung der Grundparameter wie Induktorgeometrie und der elektrischen Parameter können dadurch vermieden werden. Entwicklungen in diese Richtung animieren die beteiligten Unternehmen, den energie- und somit kostensparenden Prozessschritt einzusetzen. Durch die Umstellung würde die Notwendigkeit der großen bzw. teuren Öfen in der Härtereiindustrie und die damit einhergehenden Investitionskosten entfallen. Für kleine Betriebe wäre das ein finanzieller Vorteil gegenüber größeren Unternehmen, da die Investitionsrisiken hierdurch abnehmen würden. Durch die ganzheitliche Analyse der Prozesskette des Induktionshärtens/-anlassens unter Beteiligung von Herstellern von Induktionshärtesystemen und -anwendern in Form von Härtereien wurde ein nennenswerter Beitrag zur Entwicklung von Normen und Standards geleistet.