Entwicklung eines interaktiven Chargenplanungssystems für Plasmanitrieranlagen

Unter diesen Titel stellte Dominik Büschgens auf dem Härtereikongress 2018 in Köln ein Entwicklungsvorhaben vor, welches von der ELTRO GmbH in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen University – Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) – bearbeitet wird.

Für die Auslegung von Serienprozessen ist diese Arbeit von besonderer Bedeutung, geht es hier oftmal um den „letzten Cent“ bei der Auftragsvergabe. Derzeit verfügt Eltro über Modelle, die eine Vorausberechnung der Nitrierhärtetiefe und der Härte in Abhängigkeit von Behandlungstemperatur und Haltedauer ermöglichen. Kann dann noch die Temperaturverteilung in einer Charge in Abhängigkeit von der Beladung und den Plasmaparametern berechnet werden, wird die Auslegung von Serienprozessen noch präziser. Aber auch für den Lohnbehandler, der verschiedenste Teile in einer Charge nitriert, wird dieses Modell eine entscheidende Hilfe für die Prozessplanung sein.

Kurzfassung

Die Chargenplanung spielt bei allen industriellen Wärmebehandlungsprozessen eine entscheidende Rolle. Ziel ist es, die Anzahl der Bauteile einer Charge unter Berücksichtigung der Spezifikation zu maximieren. Dabei spielt die Temperaturverteilung in der Charge eine entscheidende Rolle. Bisher erfolgt die Kalkulation der Beladung meist aus Erfahrungswerten. Dies kann zu Qualitätseinbußen oder verminderter Produktivität führen.

Resultierend aus dieser Motivation wird in einem aktuellen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben ein interaktives Chargenplanungssystem für Plasmanitrieranlagen entwickelt. Das Planungssystem besteht aus einem Strahlungsmodell, welches die Temperaturverteilung der Charge berechnet, und einem Diffusionsmodell, welches mit den berechneten Temperaturen das Nitrierergebnis der gesamten Charge vorhersagt. Die Berechnung des Nitrierergebnisses soll möglichst in kurzen Rechenzeiten erfolgen, weshalb es notwendig ist, die physikalischen Modelle, hier vor allem das Strahlungsmodell zu vereinfachen. Die zulässigen Vereinfachungen werden in einer Studie an einem vollständigen numerischen Strahlungsmodell bestimmt.

Abstract

Batch planning is one integral part of all industrial heat treatment processes. Its main goal is the maximization of the number of components in the batch considering the components specifications. During batch planning the temperature distribution in the batch needs to be taken into account at any point and therefore plays the decisive role. So far, the calculation of the load is based on experience. This can lead to loss of quality and reduced producivity.

As a result, an interactive batch planning system for plasma nitriding furnaces is beeing developed in a current research and development project. The planning system contains a radiation model, which calculates the temperature distribution in the batch, and a diffusion model, which allows to predict the nitring results based on the calculated temperatures. Due to computation time requirements a simplification of the physical modells, especially the radiation model, needs to be realized. The permissible simplifications are determined in a study on a complete numerical radiation model.