Ziel der Entwicklung

Eine kontinuierliche Beobachtung der Wärmestrahlung auf der Werkstückoberfläche und Ermittlung der Wärmeübergangskoeffizienten ist Voraussetzung einer modellbasierten Prozessregelung. Daraus wird die Spraykühlung (Anzahl, Orte, Baugröße), Charakterisierung des Sprays (Tropfengröße, -verteilung, Strahlkeule, Geschwindigkeit, Strömungsdichte) und Prozessführung des Sprays (ablaufbezogene Größen wie Impulsdauer, Frequenz einer intermittierenden Spray-Kühlung) werkstückgerecht dimensioniert. Die Modellierung ermöglicht die überwachung und Einstellung zeitlich und räumlich verteilter Wärmeübergangskoeffizienten an einer komplexen Oberfläche des Wärmebehandlungsgutes, sodass ein qualitativ hochwertiges Produkt mit definierten Materialeigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit, Härte, Gefüge, Eigenspannung, Verzug) effizient gefertigt werden kann.

Vorteile und Lösungen

Durch modellbasierte Regelung mit parallel arbeitenden Messcontrollern gelingt es, die Prozessfähigkeit der automatischen Fertigungslinien deutlich zu verbessern. Kurze Regelkreise für wenige Iterationen beschleunigen die Parameterwahl bei großer Produktvielfalt und flexiblem Produktionsprogramm.
Die Erstinbetriebnahme einer Fertigungslinie, insbesondere die Abstimmung der Spraykühlung vom Entwurf der Düsenanzahl und -anordnung zur Einstellung der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten für eine werkstückindividuelle Gefügestruktur und Härte, erfolgt in mehrwöchigen Versuchen. Die Messung des zeitlich und räumlich aufgelösten Temperaturverlaufs an der Werkstückoberfläche spart Inbetriebnahmezeit.
Aus Erfahrungen mit anderen Prozessüberwachungs- und Regelungssystemen, zum Beispiel beim Laserhärten, sind weitere Effekte durch den schnelleren Ausgleich der Eigenschaftsschwankungen in den Rohmaterialchargen bekannt.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zur Sicherung höchster Produktqualität werden Wärmebehandlungsprozesse auch im Betrieb verbessert und hohe Folgeinvestitionen in die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik getätigt.
Steigende Qualtätsanforderungen an Komponenten des Antriebsstranges von Fahrzeugen, der Stromerzeugung (Generatoren, Power-Systems) und Stahlleichtbau führen zu wachsenden Märkten in der Wärmebehandlungstechnik und in der überwachung thermischer Prozessgrößen.
Die zur dauerhaften überwachung notwendige Temperaturmesstechnik wird mit modellgestütztem Regelungssystem offeriert. Als Dienstleistung kann die messtechnisch komplizierte, aufwändige Inbetriebnahme mit IR-Messtechnik des Wissenschaftsbereichs ausgeführt werden, während im laufenden Betrieb einfachere Systeme hinreichend genau funktionieren dürften. Jedoch sind die Lebensdauern der Messgeräte im Dauereinsatz aufgrund der Prozessumgebungen sehr begrenzt. Daneben muss in regelmäßigen Abständen eine Kalibrierung durchgeführt werden. Die Lösungen werden kundenindividuell mit Service- und Wartungsverträgen vom ITW e. V. Chemnitz angeboten.