Initial situation
Press-hardenable steels have been used to produce high-strength structural components in lightweight automotive construction since the mid-1980s. Since then they have played an important role in meeting increasingly stringent safety regulations and climate targets. The number of components manufactured per year has been rising steadily since the process was introduced. While 3 million parts per year were manufactured in 1987, the number of manufactured parts in 2017 is already estimated at 300 million. Modern automotive bodies have a share of press-hardened components in the total mass of the BIW of up to 40%. This highlights the relevance of the process to the automotive industry and the importance it has in producing lightweight, durable body components.
In the industrial press hardening process, the blanks are usually heated in a continuous furnace, such as the roller hearth furnace. Due to the heat transfer in the oven in the form of radiation and convection, heating times of up to 5 minutes are required to heat the blanks to a temperature of 950°C. The blanks are then heated to the required temperature. To ensure that sufficient blanks are available to maintain the press cycle, the furnaces must be designed to be correspondingly long. This results in typical furnace lengths of more than 40m. In addition, roller hearth furnaces have long heating and cooling times on the one hand, and on the other, strong temperature fluctuations can damage the ceramic rollers used to transport the piece goods. For this reason, the furnaces often continue to be heated even during a production stoppage in order to ensure smooth operation. This leads to high energy requirements even when a production line is at a standstill.
Idea
Induction heating offers many advantages here as an alternative to the conventional roller hearth furnace. Due to the heat generated directly in the component, higher heating rates and better efficiencies can be realized than with heat transfer by convection and radiation. This makes induction a space-saving and energy-efficient process for heating steel components. The process is therefore already finding industrial application in the melting, forging and heat treatment of components. However, the potential of induction for heating sheet blanks in the press hardening process has also been increasingly investigated in recent years. A major focus of these investigations is the influence of induction heating on the homogeneity of the heating and the component properties of the sheet metal blanks.
For?schungs?zie?le
Aufbau einer Produktionslinie für das Pressh?rten von Blechkomponenten mit induktiver Erw?rmung und Fertigung von Demonstrator-Bauteilen
Ziel ist der Nachweis der Serientauglichkeit des Gesamtkonzeptes. Der Aufbau der Produktionslinie soll unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz erfolgen. Dabei sollen die Vorteile einer Induktionsanlage bezüglich des Platzbedarfes ausgenutzt werden, um ein m?glichst effektives Anlagenlayout unter Berücksichtigung von Transport, Erw?rmung und Umformung zu erm?glichen.
Implementierung der Produktionslinie in den Experimentierraum Neue Mobilit?t OWL
Anhand eines virtuellen Zwillings des Energiesystems des gesamten Experimentierraums wird ein Optimierungsalgorithmus modelliert, welcher ein Energiemanagementsystem zur Koordination der Stromflüsse darstellt. Dieses soll eine optimale Ausnutzung regenerativer Energien auf Basis der aktuellen und zukünftigen Wetterlage, zur Verfügung stehender Energiespeicher und des Fertigungsplanes erm?glichen. Au?erdem soll die energetische Infrastruktur einer induktiv betriebenen Pressh?rtelinie erschlossen werden. Diese wird auf Basis des Energiemanagementsystems in das regenerative Energienetz der Neuen Mobilit?t OWL implementiert.
Ermittlung von Gesch?fts- und Betriebsmodellen für eine induktiv betriebene Pressh?rtelinie
Eng verknüpft mit dem Energiemanagementsystem sollen hier Betriebsmodi für einen Anlagenbetrieb ermittelt werden. Ziel ist es ein System zu entwickeln, was in Kommunikation mit Maschinengr??en, Energiemanagement und Auftragslage eine optimierte, energieeffiziente und wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen erm?glicht.
Bilanzielle Betrachtung einer induktiv betriebenen Pressh?rtelinie
Auch sollen die ben?tigten Energie- und Rohstoffbedarfe zur Fertigung von Bauteilen ermittelt und mit bestehenden Fertigungsmethoden abgeglichen werden. Das Ziel ist der Nachweis eines ?kologisch-?konomischen Vorteils einer mit regenerativem Strom betriebenen Fertigungslinie gegenüber der Nutzung fossiler Energietr?ger. Im Sinne der steigenden Nachfrage nach Lieferkettenverantwortung sollen dabei auch vorgelagerte Prozesse zur Bereitstellung der notwendigen Ressourcen berücksichtigt werden.