Bestimmung der Systemparameter einer induktiven Heizvorrichtung (Masterarbeit)

Kurzfassung

Die Entwicklung einer geeigneten Reparaturtechnologie für Faserkunststoffverbunde (FKV), soll mit Einführung der induktiven Erwärmung, bisherige Erwärmungsmetho- den ablösen und eine schnellere und effizientere Bauteilreparatur ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird ein System zur induktiven Erwärmung mit seinen wichtigs- ten Systemparametern untersucht. Das Ziel ist, es neben der Ermittlung der wichtigs- ten Parameter (Einflussgrößen), auch eventuelle Wechselwirkungen zu ermitteln und erste Ansätze einer Optimierung aus den gewonnen Versuchsergebnissen abzulei- ten. Eine Methode zur gezielten und systematischen Durchführung von Parameter- studien ist die statistische Versuchsplanung (engl.: Design of Experiments). Für die Untersuchungen steht ein Prüfstand zur induktiven Erwärmung zur Verfügung. Ein wichtiger Bestandteil des Prüfstandes ist eine am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelten Spulengeometrie. Dieser Induktor hat den Vorteil, sich an die zu erwärmende Bauteilstruktur anzupassen und so eine Erwärmung von ver- schiedenen Bauteilgeometrien zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit werden drei verschiedene Induktoren untersucht und charakterisiert. Es gibt eine Reihe von Ein- flussgrößen, die den induktiven Erwärmungsprozess beeinflussen. Das Temperatur- profil wird zum einen von den Komponenten des Prüfstandes bestimmt (Induktor, Kondensator, Wechselspannungsgenerator), ebenso spielen die Einstellparameter, wie die abgegebene Generatorleistung und die Heizdauer eine Rolle für den Heizprozess. Nach Festlegung der Einflussfaktoren und Zielgrößen, die anhand phy- sikalischer Grundlagen und entsprechend dem Versuchsaufbau ermittelt wurden, erfolgt die Erstellung von Versuchsplänen. Die Erstellung dieser Pläne und die an- schließende Auswertung der im Experiment ermittelten Messpunkte erfolgt mit der Software Design Expert, die sorgfältig mit Hilfe von verschiedenen Bewertungskrite- rien ausgewählt wurde. Anhand dieser experimentellen Versuchsdaten und mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung erfolgt schließlich die Erstellung eines mathemati- schen, experimentbasierten Regressionsmodells für die verschiedenen Zielgrößen. Design Expert ist in der Anwendung auf die Vorgehensweise der statistischen Ver- suchsplanung abgestimmt und zu diesem Zweck entwickelt worden. Es gibt drei Ver- suchsplanungsstufen (Screening, Modellierung und Optimierung) mit der letztendlich die wichtigen Einflüsse und Wechselwirkungen eines Prozesses ermittelt werden können. Im ersten Schritt wird ein Einflussgrößenscreening durchgeführt, um Effekte der einzelnen Faktoren und die nicht signifikanten Einflussgrößen auszuschließen. Mit einer reduzierten Anzahl an Faktoren werden die weiteren Modellierungsschritte durchgeführt. Kern der Modellierungsversuche ist die eingesetzte Kapazität, das zu erwärmende Material, sowie der eingesetzte Induktor mit seinem Kopplungsabstand. Aus den Modellierungsversuchen kann schließlich eine Optimierungsrichtung angegeben werden. Eine abschließende Optimierung erfolgt aufbauend auf zwei Einfluss- größen und einer Eingrenzung des Versuchsraumes, die nach Auswertung vorange- gangener Versuche ausgewählt werden. Hier wird der aus den Modellierungsversu- chen optimierte Punkt genauer untersucht und schließlich eine optimale Einstellmög- lichkeit für den induktiven Prüfstand abgeleitet