Rascherstarrung Kaltfingeranlage

Abstract: Zur Forschung an metallischen Werkstoffen die in kurzer Zeit von einer definierten Temperatur auf Raumtemperatur abgekühlt werden, wurde eine Anlage zur sogenannten Rascherstarrung entwickelt. Temperaturprofile können dabei für die Aufheizung wie auch für die Abkühlung gewählt werden. Die Aufheizung erfolgte induktiv, die Abkühlung durch ein Bad mit Kühlmittel.  

Keywords: Rascherstarrung, Induktionsschmelzen, Schmelzen, Temperaturprofile, metallische Gläser  

Aufgabenstellung: Ziel war es, eine metallische Probe (Abmessung einige Zentimeter) durch gleichmäßiges Heizen gemäß eines genau definierten Temperaturprofils auf eine Zieltemperatur unterhalb des Schmelzpunktes zu bringen um sie, bei Erreichen eines programmiertes Schwellwertes, in kurzer Zeit wieder auf Raumtemperatur abzukühlen. Das Temperaturprofil kann sowohl Heiz- wie auch Haltevorgänge beinhalten. Der Schwellwert zur Auslösung des Abkühlvorganges kann dabei selbst auch innerhalb einer langsamen Abkühlkurve liegen. Die Temperatur der Probe muss ständig überwacht werden damit der Auslösepunkt des Abkühlvorganges auf einige 0.1K genau eingehalten werden kann. Die Abkühlung soll in Zeiträumen von wenigen Sekunden erfolgen.  

Lösungsbeschreibung: Da die Aufheizung ggf. sehr schnell erfolgt sowie gleichzeitig auch sehr homogen über das Probenvolumen erfolgen muss, wurde eine induktive Heizung für die Anlage vorgesehen. Ein industrieller MF Generator fungiert dabei als Energiequelle, die Heizspule wurde speziell für den Probenkörper und die benötigte Frequenz berechnet und dimensioniert um die Energieeinkopplung zu optimieren. Die Steuerung des Generators und damit die Probentemperatur werden über eine industrielle Steuerung mit softwarebasierten Regler realisiert. Die Heizspule ist so gestaltet, dass es möglich wird, durch den Spalt zwischen den Windungen mit einem Pyrometer auf die Probe zu zielen und damit die Temperatur hoch zeitaufgelöst zu messen. Messwerte laufen dabei in Intervallen von 5ms ein und können auf einem PC aufgenommen werden. Die Probe wird mittels Klemmbacken an einem Ort in der Spulenmitte fixiert. Bei Erreichen des einstellbaren Auslösepunktes werden die Klemmbacken elektromagnetisch entriegelt so dass die erhitze Probe in ein darunter befindliches Kühlmittelbad fällt und damit rasch abkühlt. Damit die Auslösung innerhalt des Messintervalls des Pyrometers erfolgen kann, wurde die Steuerung mit einer speziellen CPU ausgeführt die durch ihre besonders geringe Zykluszeit innerhalt eines Messintervalls das Öffnen der Klemmbacken veranlassen kann. Durch diese Maßnahme wird auch eine hohe Reproduzierbarkeit des Prozesses gewährleistet.