Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Heterogene Gasabschreckung (HeGas)

Die Einstellung der Gebrauchseigenschaften metallischer Bauteile erfolgt i.d.R. durch Wärmebehandlungen (WB). Eine wesentliche Herausforderung für den Anwender ist die richtige Auswahl der WB-Parameter zur zielgerichteten Eigenschaftseinstellung bei gleichzeitig minimalem Energieaufwand. Oftmals beruht die Auswahl dieser Parameter auf langjährigem Expertenwissen sowie Versuch und Irrtum. Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung allgemeingültiger Modelle stellt die Berechnung der Wärmeübertragungskoeffizienten (WÜK) an den Bauteilen dar. Gerade die eindeutige Beschreibung der Randbedingungen und speziell des WÜK beruht auf Näherungen und empirischen Gleichungen. Aufgrund der Komplexität der WÜK ist es schwierig, allgemeingültige Zusammenhänge zu erarbeiten und Ergebnisse, z.B. auf abweichende Chargieranordnungen, allgemein übertragbar zu gestalten.

Das übergeordnete Ziel des geplanten Vorhabens ist die Entwicklung einer geeigneten Methode zur Vorhersage von randbedingungs- und bauteilabhängigen WB-Parametern zur zielgerichteten Einstellung von Verarbeitungs- oder Gebrauchseigenschaften bei gleichzeitig optimierten Energieeinsatz.

Die Vorhersage der WB-Parameter soll dabei mittels Künstlicher Neuronaler Netzwerke (KNN) in Abhängigkeit der Bauteilgeomtrie und der Chargierung erfolgen. Dazu wird ein datenbankbasiertes Prognosetool entwickelt und validiert, das interessierten Anwendern zur Verfügung gestellt wird. Folgende Nutzen ergeben sich für KMU:

1. Zuverlässige Vorhersage der WÜK und der WB-Ergebnisse, dadurch Minimierung teurer und zeitaufwendiger Trial-and-Error-Versuche.

2. Optimierte Einstellung der WB-Parameter zur Erzielung der geforderten Bauteileigenschaften (Härte) unter Berücksichtigung eines minimalen Energieverbrauchs und der Kosten.

Der Forschungsansatz erlaubt es, bei erhöhter Produktivität und erheblichen Energieeinsparungen in der produzierenden Industrie einen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Ergebniszusammenfassung:

Mit dem als Projektergebnis vorliegendem Prognosetool für die Bauteilabkühlung in industriellen Wärmebehandlungsprozessen können deren Anwender (In-house-Betreiber, Dienstleister, Projektingenieure, Anlagenbediener) fundierte und zielgenaue Abschätzungen über das Wärmebehandlungsergebnis an ihren behandelten Bauteilen erlangen. Ausschuss durch Behandlungsfehler insbesondere in neuen bzw. dem jeweiligen Betreiber unbekannten Prozessparameterbereichen werden durch eine breitere Wissensbasis über das Wärmebehandlungsergebnis minimiert. Die Optimierungsfunktion des Tools ermöglicht es, die vom Anwender geforderte Mindesthärte zu berücksichtigen und den erforderlichen Mindestgasdruck zu berechnen. Dadurch kann im Hinblick auf Ressourcen- und Energieeffizienz ein erheblicher technischer und wirtschaftlicher Nutzen für KMU entstehen.

Für Unternehmen ergibt sich dadurch nicht nur eine Steigerung der Werkstoffeffizienz, sondern auch eine Zeitersparnis bei der Auslegung angepasster Wärmebehandlungsprozesse. Die Vorhersage des Behandlungsergebnisses kann bereits in der Konstruktionsphase von Bauteilen berücksichtigt werden, um basierend auf den Wärmebehandlungen angepasste Geometrien zu entwickeln. Durch eine offene Gestaltung des Prognosetools kann dieses stetig um weitere Prozessparameter, Werkstoffe und Bauteilgeometrien erweitert werden. Mit zunehmender Datenbasis wird dabei das zugrundeliegende KNN verbessert.

Die Projektergebnisse und die im Projekt beschriebenen Methoden helfen KMUs, das Verfahren der Gasabschreckung zu optimieren. Dadurch können nicht nur innerbetriebliche Prozesse optimiert, sondern auch auf gesellschaftlicher Ebene der Energieverbrauch reduziert und eine verbesserte Ressourcennutzung erreicht werden.