Numerische Modellierung, Analyse und Design von induktiven Systemen für das Randschichthärten komplexer Werkstückgeometrien

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse und das Design von induktiven Systemen für das Randschichthärten komplexer Werkstückgeometrien unter Anwendung der numerischen Simulation. Ein effektiver Weg zur optimalen Auslegung des induktiven Randschichthärteprozesses ist die Durchführung einer numerischen Modellierung vor dem eigentlichen Experiment mit dem Ziel, ein konturgetreues Härteprofil zu erreichen. Kostenintensive Versuchsreihen werden dadurch auf ein Minimum beschränkt. Ein erfolgreiches numerisches Design und Optimierung der Induktionssysteme mit komplexen Geometrien setzt neben der fachspezifischen Simulationssoftware und leistungsfähigen Rechnern das Vorhandensein geeigneter Vorgehensweisen während der Modellierung sowie Kenntnis der Materialeigenschaften, insbesondere der relativen Permeabilität, voraus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zunächst Systeme mit komplexen Werkstückgeometrien und deren Effekte bei der induktiven Erwärmung untersucht, Geometrien je nach Komplexitätsgrad klassifiziert und eine geeignete Vorgehensweise zur Modellierung solcher Systeme entwickelt. Die Anwendbarkeit dieser Methode wird anhand eines realen Werkstücks mit komplexer Geometrie gezeigt. Zur Untersuchung der relativen Permeabilität und ihrer Eingabeform bei der numerischen Simulation von induktiven Randschichtsystemen wird eine umfangreiche Sensibilitätsanalyse mittels der FEM-Software ANSYS und FLUX durchgeführt. Zur Bestimmung der relativen Permeabilität wird darüber hinaus eine neue Messmethode entwickelt. Diese umfasst den Aufbau einer geeigneten Versuchsanlage und die Entwicklung eines speziellen Simulationsprogramms auf der Basis der FEM-Software ANSYS. Anschließend werden drei Simulationsprogramme unterschiedlicher Dimension für drei industrielle Serienwerkstücke verschiedener Geometriekomplexität entwickelt, mit dem Ziel die Möglichkeiten der numerischen Analyse und des Designs sowie die Ausarbeitung der Richtlinien zur experimentellen Endoptimierung aufzuzeigen. Die Simulationsergebnisse werden durch Experimente verifiziert.