Herausforderungen bei der Induktionswärmebehandlung in einer hochgradig digitalisierten Welt
Die Technologie der Wärmebehandlung mittels elektromagnetischer Induktion entwickelt sich rasant weiter und wird damit neuen Herausforderungen sowie einem sich rasch wandelnden Geschäftsumfeld gerecht. Die Vielfalt der Bauteile nimmt zu, während die Produktzykluszeiten immer kürzer werden. Bei vielen Induktionsanwendungen beträgt die Erwärmungszeit weniger als einige Sekunden und in manchen Fällen sogar nur den Bruchteil einer Sekunde.
Zu den Faktoren, die von gewerblichen Wärmebehandlungsbetrieben traditionell zur Bewertung von Induktionsanlagen herangezogen werden, gehören die technische Leistungsfähigkeit, die Leistungsbeständigkeit, die Lieferzeit, die Lebensdauer der Maschinen und der Preis. Angesichts der jüngsten Branchentrends müssen bei der Entscheidung zum Kauf von Wärmebehandlungsanlagen auch weitere Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Flexibilität der Anlagen, die Rückverfolgbarkeit der Qualität der Wärmebehandlung von Bauteilen, die digitale Konnektivität sowie die Möglichkeit, Prozessdaten zu speichern und abzurufen.
Die Möglichkeit der Einzelstückbearbeitung mit Rückverfolgbarkeit der einzelnen Komponenten, die Automatisierungsfähigkeit sowie die Digitalisierung der Prozesssteuerung und -überwachung gehören seit jeher zu den attraktivsten Merkmalen der Induktionswärmebehandlung im Zusammenhang mit der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0). Kontinuierliche Fortschritte in der Mikroprozessor- und Mikrocontroller-Technologie haben zu hochentwickelten Steuerungs- und Überwachungssystemen geführt, die zuvor nicht verfügbar waren.
Allerdings kann eine solche Komplexität die Kosten für die Anlagen erheblich in die Höhe treiben, was die Umsetzung bestimmter Aspekte der „Industrie 4.0“-Strategie erschwert. So könnte beispielsweise die Integration aller möglichen „Extras“ in die Anlagenkonstruktion zur Verbesserung der Überwachungs- und Steuerungsfunktionen sowie der digitalen Datenerfassung zu einem Preis führen, der weit über dem liegt, was der Käufer zu zahlen bereit ist. Das ist eine Tatsache.
Zudem müssen die gesammelten, extrem großen Datenmengen analysiert werden, um zu beurteilen, wie sich Änderungen im Prozess auf das Produkt auswirken – was Zeit kostet und Geld verschlingt. In manchen Fällen könnte es sinnvoller sein, weniger aufwendige Überwachungs- und Steuerungstechniken in Verbindung mit geeigneten vorbeugenden und/oder vorausschauenden Wartungsprogrammen einzusetzen. Daher lautet die Frage für den umsichtigen Ingenieur nicht mehr „Was kann getan werden?“, sondern „Was muss getan werden?“
Einer der ersten Schritte bei der Umsetzung der Digitalisierung in der Industrie ist der Einsatz digitaler Messgeräte, die spezielle integrierte Schaltkreise nutzen und damit eine Alternative zu den in der Vergangenheit weit verbreiteten analogen Messgeräten darstellen. Bei Betrieb innerhalb ihres Nennbereichs liefern digitale Messgeräte genaue Messwerte der elektrischen Parameter der Stromversorgung. Da die Reaktionszeit digitaler Messgeräte für schnelle Induktionswärmebehandlungsprozesse noch zu langsam sein könnte, bieten einige Hersteller eine schnell reagierende Balkenanzeige in Kombination mit der langsamer reagierenden digitalen Anzeige des Parameterwerts im selben Messgerätegehäuse an. Es sind jedoch weitere Anstrengungen erforderlich, um die Reaktionszeit digitaler Messgeräte und Schaltungen weiter zu verkürzen.
Es ist zu erwarten, dass die Signatur-basierte Überwachung des Prozesses in Echtzeit weiterhin stark nachgefragt sein wird. Das System überprüft kritische Maschineneinstellungen, um Vertrauen in die Qualität der bearbeiteten Teile zu schaffen. Moderne Wärmebehandlungssysteme bieten Steuerung, Datenerfassung und Signaturüberwachung in einem Paket. Dabei kommt ein computergestütztes Frontend mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) zum Einsatz, das mit einer SPS-Steuerung gekoppelt ist, um die Vorteile beider Technologien zu vereinen. Viele Hersteller haben eigene Lösungen für digitale Überwachungsschaltungen entwickelt, die die Genauigkeit erhöhen und die Reaktionszeit minimieren.
Nach dem Gesetz der großen Zahlen könnte die Installation einer übermäßigen Anzahl von Sensoren, Detektoren und zugehörigen Geräten bzw. Systemen die Betriebszeit der Anlagen und die allgemeine Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen. Daher ist es unerlässlich, eine Mindestanzahl wirklich entscheidender Prozessparameter für eine Wärmebehandlungsanwendung festzulegen, die einer Überwachung bedürfen – weshalb die Konstruktion moderner Induktionsanlagen mittlerweile ganzheitlich erfolgt. Es wurden Anstrengungen unternommen, moderne Induktionssysteme zu entwickeln, die sich durch eine ausgeklügelte, robuste Bauweise auszeichnen und gleichzeitig ein einfaches Design mit einer minimalen Anzahl an Komponenten aufweisen, wodurch sie zuverlässiger, kompakter sowie einfacher zu bedienen und zu warten sind. Es müssen alle Anstrengungen unternommen werden, um fehlerhafte Teile zu erkennen und zu verhindern, dass diese in die Montage gelangen.
In unserer stark digitalisierten Welt hat die Cybersicherheit aufgrund des potenziellen Risikos von Hackerangriffen, der Gefährdung von Prozessrezepten, Protokollen, Validierungen und Gerätekalibrierungen sowie der digitalen Datenerfassung eine entscheidende Rolle eingenommen. Es müssen elektronische Aufzeichnungen erstellt und gespeichert werden, und es sollten Maßnahmen ergriffen werden, um eine unbemerkte Veränderung dieser Aufzeichnungen zu verhindern. Dies ist mit entsprechenden Programmen und der Implementierung von Sicherheitsfunktionen verbunden und führt zu zusätzlichen Kosten, was für einige kleine Gerätehersteller eine Herausforderung darstellen kann.
Früher hatten Zulieferer oft über viele Jahre hinweg einen Vertrag für ein bestimmtes Bauteil. Heute wechseln Aufträge viel häufiger von einem Zulieferer zum anderen. Um sich im Wettbewerb einen Auftrag zu sichern, muss ein Zulieferer daher unter Umständen neue Induktionsanlagen prüfen, um sicherzustellen, dass diese die Anforderungen erfüllen, die Maschine anschaffen und einrichten, ein Produktionsfreigabeverfahren (PPAP) durchlaufen und innerhalb kurzer Zeit produktionsbereit sein. Moderne, hochwertige und zuverlässige Anlagen sollten eine einfache Umrüstung und Neuprogrammierung ermöglichen, um unterschiedliche Teile bearbeiten zu können. Die Entwicklung innovativer Stromversorgungen (zum Beispiel die IFP-Technologie von Inductoheat), die eine sofortige, unabhängige Anpassung von Leistung und Frequenz auf vorprogrammierte, digitalisierte Weise während des Erwärmungszyklus ermöglichen, stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Verbesserung der Anlagenflexibilität und der Optimierung der metallurgischen Qualität wärmebehandelter Teile dar.
Die Bedeutung numerischer Computermodellierungsverfahren in unserer stark digitalisierten Welt kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Einige kommerzielle Softwarepakete ermöglichen es Anwendern, hochspezialisierte, proprietäre Anwendungssoftware (Apps) zu entwickeln, die in Anlagenpakete integriert werden können. Solche Apps sind bereits Realität, da einige Hersteller von Induktionsanlagen proprietäre Softwaretools in ihre Anlagenpakete integriert haben. Es gibt deutliche Anzeichen dafür, dass sich dieser Trend weiter verstärken wird.
Der Forschungs- und Entwicklungsausschuss der ASM Heat Treating Society arbeitet derzeit an der „Heat Treat R&D Roadmap 2030“, die dazu beitragen soll, Entwicklungswege für kosteneffiziente, umweltfreundliche und weltweit wettbewerbsfähige Wärmebehandlungstechnologien und -werkstoffe zu identifizieren und zu kategorisieren.
Valery Rudnev, FASM, IFHTSE-Fellow
Leiter des Bereichs Wissenschaft und Technologie bei Inductoheat Inc.
Eine PDF-Version des Artikels von ASM International finden Sie weiter unten.