Neuartiges Messverfahren für die Prozesssteuerung von induktiven Erwärmungsvorgängen von Metallen in den teilflüssigen Bereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271002868

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Beim Thixoforming werden in den teilflüssigen Bereich erwärmte Werkstücke umgeformt. Teilflüssige Materialien weisen besondere, für die Umformung günstige Eigenschaften auf. Werkstücke für das Thixoforming werden häufig induktiv erwärmt, da diese Art der Erwärmung sowohl hohe Leistungen und Wirkungsgrade, als auch eine präzise Steuerung der eingekoppelten Leistung ermöglicht. Herausforderungen bei der induktiven Erwärmung ergeben sich aufgrund der ungleichmäßigen Wärmeeinbringung durch den Skin-Effekt. Dieser macht es schwierig, gerade bei hohen Erwärmungsleistungen einen homogenen Flüssigphasenanteil im Werkstück zu erhalten. Für die Messung des Flüssigphasenanteils wurde eine auf den erfassten Strömen am Induktor basierende Strommessung entwickelt, die auf der bereits bekannten Zeitkonstantenmessung aufbaut. Die strombasierte Messgröße erlaubt im Vergleich, die Häufigkeit der Pulspausen zu reduzieren. Der Gesamtstrom zum Abschaltzeitpunkt ist ohne die Anregungsunterbrechung bei jedem Puls messbar. Pulspausen können mit um ca. Faktor fünf reduzierter Häufigkeit zur Aktualisierung durchgeführt werden. Aufgrund des Skin-Effekts konzentrieren sich die für die Erwärmung verantwortlichen Ströme im Randbereich des Werkstücks. Dies birgt die Gefahr des Abschmelzens der Randbereiche, während das Werkstückinnere noch nicht den für den Umformprozess nötigen Flüssigphasenanteil erreicht hat. Das Abschmelzen der Randbereiche kann durch Messwerterfassung und Überwachung zwar verhindert werden, jedoch ist nicht bekannt, wann das Werkstückinnere sich aufgrund von Wärmeleitungseffekten bezüglich des Flüssigphasenanteils angeglichen hat. Eine direkte Messung im Inneren mittels Variation der Anregungsfrequenz ist auf Grund von anlagentechnischen Beschränkungen und komplexen Überlagerungen der Effekte nicht möglich. Gestützt von umfassenden experimentellen Analysen kann jedoch von einer Beobachtbarkeit bei der Nutzung modellbasierter Ansätze ausgegangen werden. Eine Variation der Anregungsfrequenz zur Ermittlung mehrerer Stützpunkte im Außenbereich erscheint hierbei zielführend. Um die Genauigkeit und damit die industrielle Einsetzbarkeit der induktiven Erwärmung weiter zu steigern, bedarf es weiterer Untersuchungen und einer detaillierten Erforschung modellbasierter Messansätze sowie der darauf basierenden Prozessregelung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Measurement of the controlled variable during heating of Ti6Al4V for thixoforging. In: Materials Research Express 5 (2017)
  Gerlach, O.; Lechler, A.; Verl, A.
  
• Werkstückerwärmung für das Thixoforming: Induktor als Sensor zum Überwachen der Erwärmung bis in den teilflüssigen Bereich. In: wt Werkstattstechnik online 5 (2017)
  Uphoff, J.; Lechler, A.; Verl, A.
  
• Untersuchung von Messgliedern zur Erfassung der Regelgröße beim Erwärmen für das Thixoschmieden, Fraunhofer Verlag, Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung 91 (2019)
  Gerlach, O.