Multi-Feld-Generatoranlage
Final Report Abstract
Die Multi-Feld-Generatoranlage (MFGA) soll bei der wissenschaftlich orientierten experimentellen Forschung zur Entwicklung und Optimierung neuer Herstellungsprozesse für neue Werkstoffe und Produkte durch den Einsatz kombinierter elektromagnetischer Felder eingesetzt werden. Hierzu zählen unter anderem die Wärmebehandlung von Hochleistungsbauteilen, die Herstellung von Produkten aus Gradientenwerkstoffen mit spezifischen lokalen Eigenschaften sowie Erstarrungs- und Züchtungsprozesse für einkristalline und multikristalline Werkstoffe. Aufgrund der zunehmenden Komplexität der dabei zu erforschenden instationären dreidimensionalen Erwärmungs-, Schmelz- und Erstarrungsprozesse ist heute die Computersimulation unabdingbar. Durch den Einsatz der Multi-Feld- Generatoranlage soll die zwingend erforderliche realitätsnahe experimentelle Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgen und somit eine Verbesserung der Simulationsmodelle ermöglicht werden. Physikalische Erscheinungen wie Turbulenzvorgänge, die simulationstechnisch nur näherungsweise nachgebildet werden können, sollen durch die Multi-Feld-Generatoranlage experimentell erforscht werden. In den ersten 3 Jahren seit Inbetriebnahme der Multi-Feld-Generatoranlage wurden folgende wissenschaftliche Arbeiten durchgeführt, bei der das Gerät eingesetzt wurde, und folgende Forschungsergebnisse erzielt: 1. Induktives Schwebeschmelzen. Das induktive Schmelzen von Metallen unter vollständigen Levitationsbedingungen hat wesentliche Vorteile bezüglich der Reinheit der geschmolzenen Materialien und der Energieeffizienz gegenüber herkömmlichen Keramiktiegel- oder Kalttiegel-Induktionsöfen. Eine im Rahmen zweier DFG-Projekte neu entwickelte Methode verwendet zwei elektromagnetische Felder unterschiedlicher Wechselstromfrequenzen, deren Feldlinien horizontal und gegenseitig normal sind, um auch in der Achse der Schwebeprobe Hebekräfte auszuüben. Damit kann das Schmelzgewicht erhöht und es kann tropfen- und leckagefrei geschmolzen werden. Erste Vorversuche zur neu entwickelten Technik mit zwei Frequenzen ergaben ein erfolgreiches kontaktloses Schmelzen von Aluminiumproben bis zu 40 g. In einem weiteren Schritt wurde durch numerische Methoden ein vergrößerter Versuchsaufbau für das Levitationsschmelzen von Aluminiumproben mit erhöhter Masse bis 500 g entworfen und hergestellt. Mittels der Möglichkeiten der MFGA wurden Levitationsschmelzexperimente unter Verwendung von Aluminiumproben mit Massen bis 500 g erfolgreich durchgeführt, mit denen die numerischen Ergebnisse sowie die Auslegung der Schmelzanlage verifiziert werden konnten. Demnächst ist ein weiteres Up-scaling auf 5 kg geplant, das bereits durch numerische Methoden ausgelegt worden ist und anschließend experimentell mittels der MFGA überprüft und getestet werden soll. 2. Einsatz gepulster elektromagnetischer Felder bei der Erstarrung von Speziallegierungen. Der Einsatz von gepulsten elektromagnetischen Feldern zum Prozessieren von Materialien führte in den letzten Jahren zu interessanten Ergebnissen. Im Rahmen eines DAAD Forschungsstipendiums, eines russischen Präsidentengrants sowie des Helmholtz-Kooperationsprojektes LIMTECH wurden 2 Forschungsprojekte durchgeführt, bei denen die Möglichkeit der Erzeugung von gepulsten Magnetfeldern durch die MFGA erfolgreich genutzt wurde. Im Rahmen der Forschungsprojekte wurden die Themen "Einfluss der niederfrequent gepulsten Lorentz-Kraft auf die Intensität eines Galinstan-Schmelzflusses" und "Beeinflussung der Erstarrung einer Al-Legierung mittels niederfrequenter gepulster Lorentz-Kraft" bearbeitet. Übliche induktive Frequenzgeneratoren erlauben nur die kontinuierliche Erzeugung einer Stromfrequenz. Mittels eines in der MFGA implementieren Puls-Weiten-Generators mit 8 separat steuerbaren Leistungsausgängen können somit sowohl kontinuierliche als auch gepulste Mehrphasenfelder erzeugt werden. Mittels der gepulsten Magnetfelder konnten bei der Erstarrung von Al-Legierungen neuartige Materialstrukturen bezüglich der Feinkörnigkeit und Strukturhomogenität erzeugt werden. 3. Induktive Platinenerwärmung für den Warmformprozess. Ziel des von der AiF geförderten Projektes ist die Entwicklung eines induktiven Verfahrens, welches die induktive Erwärmung eines seriennahen Bauteils in einem großserientauglichen Warmformprozess ermöglicht. Unter einem Serienbauteil ist zum Beispiel die B-Säule eines Automobils zu verstehen. Für die Prozessauslegung ist die Untersuchung verschiedener elektrischer Parameter notwendig, für die MFGA aufgrund ihrer Frequenzvielfalt vorteilhaft eingesetzt werden konnte. Daraus konnten Erkenntnisse über den frequenzabhängigen Wirkungsgrad und die Temperaturverteilung ermittelt werden. Auch Zusammenhänge zwischen der zugeführten Leistung, Aufheizgeschwindigkeit und Endtemperatur wurden ermittelt. Zur tiefgehenden Untersuchung des induktiven Erwärmungsprozesses wurden dreidimensionale numerische Modelle basierend auf der Finiten-Element-Methode entwickelt. Zur Überprüfung der physikalischen Korrektheit der numerischen Modelle wurden an der MFGA entsprechende Versuche durchgeführt.
Publications
- Electromagnetic levitation melting of metals on a large scale: simulation and experiments. Proceeding of the 8th International Conference on Electromagnetic Processing of Materials EPM 2015, October 12-16, 2015, Cannes, France, pp. 583-586
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(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.870.471) - Experimental investigation of low-frequency pulsed Lorentz force influence on the motion of Gallistan. St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics ISSN 2405-7223, Vol. 08, 2016, Iss. 002, pp. 1-8
Musaeva, D.; Baake, E.; Ilin, V.; Geza, V.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.spjpm.2016.08.002) - Induktive Längsfelderwärmung von dünnem Metallband: Numerische Berechnung und experimentelle Verifikation. Elektrowärme International 74 (2016) H. 1, S. 67-72
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- Large scale electromagnetic levitation melting of metals. Proceedings of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources HES-16, May 24-27, 2016, Padua, Italy, pp. 43-50
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