Die Induktionserwärmung ermöglicht die gezielte Erwärmung eines Gegenstandes für Anwendungen wie Oberflächenhärtung, Schmelzen, Hart- und Weichlöten und Erwärmung auf Passung. Eisen und seine Legierungen lassen sich aufgrund ihres ferromagnetischen Charakters am besten durch Induktion erwärmen. Wirbelströme können jedoch in jedem Leiter erzeugt werden, und magnetische Hysterese kann in jedem magnetischen Material auftreten. Die Induktionserwärmung wurde zur Erwärmung von flüssigen Leitern (z. B. geschmolzenen Metallen) und auch von gasförmigen Leitern (z. B. einem Gasplasma – siehe Induktionsplasmatechnologie) eingesetzt. Die Induktionserwärmung wird häufig zur Erwärmung von Graphittiegeln (die auch andere Materialien enthalten) verwendet und wird in der Halbleiterindustrie in großem Umfang zur Erwärmung von Silizium und anderen Halbleitern eingesetzt. Induktionserwärmung mit Netzfrequenz (50/60 Hz) wird für viele kostengünstige industrielle Anwendungen verwendet, da keine Wechselrichter erforderlich sind.
OfenBearbeiten
Ein Induktionsofen verwendet Induktion, um Metall auf seinen Schmelzpunkt zu erhitzen. Nach dem Schmelzen kann das hochfrequente Magnetfeld auch zum Rühren des heißen Metalls verwendet werden, was nützlich ist, um sicherzustellen, dass die Legierungszusätze vollständig in die Schmelze eingemischt werden. Die meisten Induktionsöfen bestehen aus einem Rohr mit wassergekühlten Kupferringen, die einen Behälter mit feuerfestem Material umgeben. Induktionsöfen werden in den meisten modernen Gießereien eingesetzt, da sie eine sauberere Methode zum Schmelzen von Metallen darstellen als ein Flammofen oder ein Kupolofen. Die Größen reichen von einem Kilogramm bis zu hundert Tonnen Fassungsvermögen. Je nach Betriebsfrequenz geben Induktionsöfen oft ein hohes Pfeifen oder Brummen von sich, wenn sie in Betrieb sind. Zu den geschmolzenen Metallen gehören Eisen und Stahl, Kupfer, Aluminium und Edelmetalle. Da es sich um ein sauberes und berührungsloses Verfahren handelt, kann es in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre eingesetzt werden. Vakuumöfen nutzen die Induktionserwärmung für die Herstellung von Spezialstählen und anderen Legierungen, die bei Erwärmung an der Luft oxidieren würden.
SchweißenBearbeiten
Ein ähnliches, kleineres Verfahren wird beim Induktionsschweißen verwendet. Auch Kunststoffe können durch Induktion geschweißt werden, wenn sie entweder mit ferromagnetischen Keramiken (bei denen die magnetische Hysterese der Teilchen für die erforderliche Wärme sorgt) oder mit metallischen Teilchen dotiert sind.
Rohrnähte können auf diese Weise geschweißt werden. In einem Rohr induzierte Ströme verlaufen entlang der offenen Naht und erwärmen die Ränder, so dass eine für das Schweißen ausreichend hohe Temperatur erreicht wird. An diesem Punkt werden die Nahtkanten zusammengedrückt und die Naht wird geschweißt. Der HF-Strom kann auch durch Bürsten in das Rohr geleitet werden, aber das Ergebnis ist immer noch dasselbe – der Strom fließt entlang der offenen Naht und erwärmt sie.
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Beim additiven Metalldruckverfahren Rapid Induction Printing wird ein leitfähiges Drahtmaterial und Schutzgas durch eine gewendelte Düse geleitet, wobei das Material induktiv erwärmt und als Flüssigkeit aus der Düse ausgestoßen wird, um unter Abschirmung dreidimensionale Metallstrukturen zu bilden. Der Hauptvorteil des verfahrenstechnischen Einsatzes der Induktionserwärmung in diesem Prozess ist eine deutlich höhere Energie- und Materialeffizienz sowie ein höheres Maß an Sicherheit im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Lasersintern, bei denen das Material mit einem starken Laser- oder Elektronenstrahl erhitzt wird.
KochenBearbeiten
Beim Induktionskochen erhitzt eine Induktionsspule im Inneren der Herdplatte den Eisenboden des Kochgeschirrs durch magnetische Induktion. Die Verwendung von Induktionsherden bietet Sicherheit, Effizienz (die Induktionskochplatte wird nicht selbst erhitzt) und Schnelligkeit. Nichteisenpfannen wie Pfannen mit Kupferboden und Aluminiumpfannen sind im Allgemeinen nicht geeignet. Bei der Induktion wird die im Boden erzeugte Wärme durch Konduktion auf die darin befindlichen Speisen übertragen.
HartlötenBearbeiten
Das Induktionslöten wird häufig bei höheren Stückzahlen eingesetzt. Es führt zu gleichmäßigen Ergebnissen und ist sehr wiederholbar. Es gibt viele Arten von Industrieanlagen, in denen Induktionslöten verwendet wird. Zum Beispiel wird Induktionslöten zum Löten von Hartmetall auf Wellen verwendet.
DichtungBearbeiten
Induktionserwärmung wird bei der Verschlussversiegelung von Behältern in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet. Eine Schicht Aluminiumfolie wird über die Öffnung der Flasche oder des Glases gelegt und durch Induktion erhitzt, um sie mit dem Behälter zu verschmelzen. Dies sorgt für eine manipulationssichere Versiegelung, da eine Veränderung des Inhalts ein Aufbrechen der Folie erfordert.
Erhitzen zum EinpassenBearbeiten
Induktionserwärmung wird häufig verwendet, um einen Gegenstand zu erwärmen, damit er sich vor dem Einbau oder der Montage ausdehnt. Lager werden routinemäßig auf diese Weise erwärmt, wobei eine Netzfrequenz (50/60 Hz) und ein geschichteter Stahltransformatorenkern verwendet werden, der durch die Mitte des Lagers verläuft.
WärmebehandlungBearbeiten
Induktionserwärmung wird häufig bei der Wärmebehandlung von Metallteilen eingesetzt. Die häufigsten Anwendungen sind das Induktionshärten von Stahlteilen, das Induktionslöten zum Verbinden von Metallteilen und das Induktionsglühen zum selektiven Erweichen eines Bereichs eines Stahlteils.
Die Induktionserwärmung kann hohe Leistungsdichten erzeugen, die kurze Wechselwirkungszeiten zum Erreichen der erforderlichen Temperatur ermöglichen. Dies ermöglicht eine genaue Steuerung des Erwärmungsmusters, wobei das Muster dem angelegten Magnetfeld recht genau folgt, und ermöglicht eine geringere thermische Verformung und Beschädigung.
Diese Fähigkeit kann beim Härten genutzt werden, um Teile mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Das gebräuchlichste Härteverfahren ist die örtliche Oberflächenhärtung eines Bereichs, der verschleißfest sein muss, während die Zähigkeit der ursprünglichen Struktur an anderer Stelle erhalten bleibt. Die Tiefe der induktiv gehärteten Muster kann durch die Wahl der Induktionsfrequenz, der Leistungsdichte und der Einwirkungszeit gesteuert werden.
Grenzwerte für die Flexibilität des Verfahrens ergeben sich aus der Notwendigkeit, für viele Anwendungen spezielle Induktoren herzustellen. Dies ist recht teuer und erfordert die Bündelung hoher Stromdichten in kleinen Kupferinduktoren, was spezielle Technik und „Kupferanpassung“ erfordern kann.
KunststoffverarbeitungBearbeiten
Induktionserwärmung wird in Kunststoff-Spritzgießmaschinen eingesetzt. Die Induktionserwärmung verbessert die Energieeffizienz bei Spritzguss- und Extrusionsverfahren. Die Wärme wird direkt im Zylinder der Maschine erzeugt, was die Aufwärmzeit und den Energieverbrauch reduziert. Die Induktionsspule kann außerhalb der Wärmedämmung angebracht werden, so dass sie bei niedriger Temperatur arbeitet und eine lange Lebensdauer hat. Die verwendete Frequenz reicht von 30 kHz bis hinunter zu 5 kHz, wobei sie bei dickeren Trommeln abnimmt. Die Kostenreduzierung bei Invertergeräten hat die Induktionserwärmung immer beliebter gemacht. Die Induktionserwärmung kann auch bei Formen eingesetzt werden und bietet eine gleichmäßigere Formtemperatur und eine bessere Produktqualität.
PyrolyseEdit
Die Induktionserwärmung wird zur Gewinnung von Biokohle bei der Pyrolyse von Biomasse eingesetzt. Die Wärme wird direkt in den Wänden eines Schüttelreaktors erzeugt, was die Pyrolyse der Biomasse mit guter Durchmischung und Temperaturkontrolle ermöglicht.