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Einsatz von automatischen Optimierungsverfahren

Diagrammschema eines numerischen Optimierungsansatzes

Techniken zur optimalen Auslegung von Systemen erweisen sich als äußert nützliches Mittel zur Weiterentwicklung verschiedenster technologischer Prozesse. Elektrothermische Verfahren sind aufgrund ihrer großen Flexibilität, guten Regelbarkeit und der vorhandenen mathematischen Modelle hervorragend für die Anwendung von Optimierungswerkzeugen geeignet. Auf der anderen Seite sind die physikalischen Vorgänge bei elektrothermischen Prozessen häufig so komplex und von zahlreichen Parametern abhängig, dass eine manuelle Optimierung in vielen Fällen sehr schwierig ist oder nicht zu optimalen Ergebnissen führt. Aus diesen Gründen setzt das ETP bereits seit vielen Jahren mathematische Optimierungsverfahren zur Auslegung industrieller elektrothermischer Prozesse ein.

Dabei werden unterschiedliche Wege verfolgt. Das ETP selbst hat ein Verfahren entwickelt, bei dem die klassische numerische Simulation, hierbei können sowohl eigen entwickelte als auch kommerzielle numerische Programmsysteme eingesetzt werden, mit Optimierungsalgorithmen, im Wesentlichen genetischen Algorithmen, gekoppelt wird. Die mathematische Optimierung bei diesem Verfahren ist rechen- und zeitaufwendig und wird lediglich für die Auslegung des Anlagendesigns eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der Staatlichen Universität Samara werden dagegen seit Jahren auch Methoden zur mathematischen Optimierung verwendet, die wesentlich schneller sind und sich daher auch für die online-Prozessoptimierung von elektrothermischen Anlagen eignen.

Die mathematische Optimierung nach der ersten Methode wurde zunächst entwickelt und erfolgreich angewendet für die Auslegung eines induktiven Querfelderwärmers und wird  heute standardmäßig bei der Konzipierung von Querfelderwärmern eingesetzt. Weitere Anwendungen sind z. B. die Auslegung von Härteparametern und Härteinduktoren für das induktive Randschichthärten und die Auslegung von Pancake-Spulen für die homogene Erwärmung von Grafitsuszeptoren.

Die zweite Methode wurde insbesondere bei der Design- und Prozessoptimierung von induktiven Schmiedeerwärmern mit anschließender Schmiedepresse eingesetzt. Bei der induktiven Erwärmung zum anschließenden Schmieden soll das Erwärmungsgut möglichst homogen durcherwärmt sein. Das Ziel der Optimierung muss folglich ein minimaler Temperaturunterschied über den Werkstückquerschnitt am Ende der Erwärmung sein. Eingabegrößen hierbei sind die Geometrie der Anordnung, die Materialdaten sowie die zu erzielende Endtemperatur. Zielgrößen der Optimierung können elektrische Größen wie z. B. die Frequenz des Induktorstroms, Induktorspannungen oder Leistungen sein. So kann beispielsweise untersucht werden, welche Induktoranordnung eine optimale Auslauftemperatur erzielt, ohne eine nicht zulässige Zwischenüberhitzung zu erzeugen, die das Material u. U. aufschmelzen lässt. Weitere Untersuchungen haben sich insbesondere mit der Optimierung des Übergangsverhaltens bei Veränderung des Materialdurchsatzes, wie z. B. von Nenndurchsatz auf einen reduzierten Durchsatz oder Nulldurchsatz, beschäftigt.

Die Optimierungskriterien können neben rein technischen Ausgangsgrößen sondern auch wirtschaftliche sein, wie z.B. ein maximaler Durchsatz bei gegebener Anlage, minimale Kosten für die Anlage oder den Betrieb oder minimaler Verschleiß der Schmiedewerkzeuge. Ein besonderes Potenzial dieser schnellen Optimierungsmethode wird in der Online-Steuerung von derartigen induktiven Erwärmungsstrecken gesehen.

Das neue Optimierungsverfahren wurde auch auf die Erwärmung von Metallbolzen durch Supraleitung (siehe auch Projekt Aluheat) und den anschließenden Strangpressprozess angewendet. Hier deckt die Optimierung nicht nur den Erwärmungsprozess ab, sondern schließt auch den Transport zur Strangpresse sowie den in der Strangpresse ablaufenden Umformprozess mit ein.

 

 

Ansprechpartner

Dr.-Ing. A. Nikanorov

Prof. Dr.-Ing. B. Nacke