Die konduktive Erwärmung zeichnet sich durch hohe Energieeffizienz, exakte Regelbarkeit und geringe Emissionen aus. Für die Draht-, Rohr- und Bandverarbeitung eignet sie sich besonders, da sie eine kompakte Integration in bestehende Prozessketten ermöglicht.

Neben den prozesstechnischen Vorteilen gewinnt die konduktive Erwärmung auch vor dem Hintergrund der Energiewende und der Elektrifizierung industrieller Prozesse an Bedeutung. Während konventionelle thermische Verfahren häufig auf fossilen Energieträgern basieren, erlauben elektrothermische Verfahren wie die konduktive Erwärmung die direkte Nutzung elektrischer Energie, die zunehmend aus erneuerbaren Quellen stammt. Dadurch lässt sich der CO2 Fußabdruck thermischer Prozessschritte deutlich reduzieren.

Die direkte Umsetzung der elektrischen Energie im Werkstück führt zudem zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad und minimiert Umwandlungs und Verteilverluste. Gerade im Zuge steigender Anforderungen an Energieeffizienz, Emissionsreduktion und Transparenz industrieller Prozesse bedeutet dies nicht nur eine technisch, sondern auch eine systemisch sinnvolle Lösung. Insbesondere für kontinuierliche Prozesse wie die Drahtverarbeitung fügt sich das Verfahren nahtlos in eine stärker elektrifizierte Produktionslandschaft ein und unterstützt langfristig eine nachhaltige und zukunftssichere Fertigungsstrategie.

Funktionsprinzip

Bei der konduktiven Erwärmung wird elektrische Energie direkt im Werkstück umgesetzt. Dies erfolgt durch das Anlegen eines elektrischen Potenzialunterschieds zwischen zwei Transportrollen, die den Draht mechanisch fördern. Die Rollen dienen gleichzeitig als Stromzuführung. Der Stromfluss im Draht erzeugt Wärme durch Joule’sche Verluste, wobei die Verluste an die Umgebung minimal sind, da die Energie im Material selbst entsteht.

Die umgesetzte Wärmeleistung hängt von folgenden Parametern ab:

– Elektrische Leistung und Einwirkzeit: bestimmt durch Stromstärke, Spannung, Vorschubgeschwindigkeit und Rollenabstand.

– Elektrischer Widerstand des Drahtes: abhängig von Material, Länge und Querschnitt.

– Temperaturabhängigkeit des Widerstands: beeinflusst den Energieeintrag und die Endtemperatur.

Die hohe Leistungsdichte ermöglicht kurze Aufheizzeiten und reduziert Wärmeverluste, was den Wirkungsgrad erhöht.

Integration in die Drahtverarbeitung

In der Drahtfertigung erfolgt der Transport üblicherweise über Rollen. Diese können als Stromzuführung genutzt werden, was zusätzliche Heizaggregate überflüssig macht. Der Draht selbst wirkt als Widerstand, in dem die Energie umgesetzt wird. Dies reduziert den apparativen Aufwand und vereinfacht die Prozessintegration.

Regelungsaspekte

Weil der elektrische Widerstand des Drahtes mit der Temperatur steigt, verändert sich die örtliche Wärmeleistung. Bei dem hier betrachteten kontinuierlichen Vorschubprozess macht sich das in unterschiedlichen Materialeigenschaften entlang des Drahtes bemerkbar. Am ersten Kontakt hat der Draht noch eine geringe Temperatur und erwärmt sich im Verlauf bis zur zweiten Kontaktstelle. Entscheidend ist für nachfolgende Umformschritte ist die Endtemperatur: Eine präzise Regelung muss die elektrisch-thermischen Wechselwirkungen berücksichtigen.

Virtuelle Prozessoptimierung

Zur Analyse solcher komplexen Zusammenhänge eignen sich Numerische Simulationen. So erlauben parametrische Studien die Variation von Vorschubgeschwindigkeit, Rollenabstand, Stromstärke und Materialeigenschaften. Ohne umfangreiche physikalische Versuche mit anschließenden Laborauswertungen durchführen zu müssen, lassen sich so optimale Betriebsfenster bestimmen,

Die hier exemplarisch beschriebenen Simulationen wurden mit der Software „Ansys Mechanical“ durchgeführt. Sie analysieren die Erwärmung eines Kupferdrahts mit einer Dicke von 2 mm und einer Breite von 3 mm. Eine der Rollen am zweiten Kontakt dient gleichzeitig als Umformwerkzeug und führt zu einer 90°-Biegung des Drahts mit einem Innenradius von 15 mm.

Bild 1 - Geometrie und berechnetes Temperaturprofil der konduktiven Drahterwärmung © CADFEM Germany GmbH

Die multiphysikalischen Simulationsstudien mit Ansys umfassten:

– die elektromagnetische Berechnung der Stromverteilung und der resultierenden Verlustleistungsdichte

– die Temperaturfeldanalyse unter Berücksichtigung des Vorschubs

– die Übergabe der Temperatur an die Strukturmechanik zur Bewertung der mechanischen Spannungen und Plastifizierung des Materials

Bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit führt eine Erhöhung der elektrischen Leistung zu höheren Temperaturen am Ende der Erwärmungsstrecke, wodurch die Fließgrenze des Materials reduziert und damit Spannungen sowie plastische Dehnungen im nachfolgenden Umformprozess beeinflusst werden. Während diese qualitativen Zusammenhänge physikalisch plausibel sind, ist ihre quantitative Beschreibung aufgrund ausgeprägter Nichtlinearitäten und temperaturabhängiger Materialeigenschaften analytisch kaum zugänglich und erfordert eine numerische Simulation. Hierzu wird im Ansys-Modell zunächst die elektromagnetisch eingebrachte Wärmeleistung im Draht zwischen den Transportrollen berechnet und anschließend in eine thermische Analyse überführt, die unter Berücksichtigung von Randbedingungen und Vorschub das Temperaturfeld bestimmt. Dieses wird iterativ zur Anpassung temperaturabhängiger elektromagnetischer Materialdaten zurückgekoppelt und schließlich an eine strukturmechanische Simulation übergeben, wodurch die relevanten mechanischen Größen ermittelt werden.

Bild 2 - resultierende Vergleichsspannungen bei unterschiedlichen Temperaturniveaus

Bild 3 - Plastische Dehnungen bei unterschiedlichen Temperaturniveaus

Neben der reinen Bestätigung der Theorie lassen sich so auch Erkenntnisse über zulässige Umformgrade und benötigte Temperaturniveaus generieren. Letztlich bietet die multiphysikalische Simulation Vorteile bezüglich der

– Reduzierung von Entwicklungszeit und Kosten

– Optimierung des Energieeinsatzes und Wirkungsgrades

– Vorhersage des Temperaturverlaufs für unterschiedliche Prozessparameter

– Bestimmung des optimalen Betriebsfensters für Umformprozesse

und unterstützt damit eine nachhaltige Prozessgestaltung konduktiver Erwärmungsverfahren.

Fazit

Die konduktive Erwärmung ist eine energieeffiziente Lösung für die Drahtverarbeitung. Mittels multiphysikalischer Simulationsmethoden können Prozesse im Hinblick auf Produktivität und Materialeigenschaften analysiert und optimiert werden, was eine präzise, wirtschaftliche und zukunftsorientierte Fertigung ermöglicht.

Zum Autoren

Dr.-Ing. Jörg Neumeyer beschäftigt sich als Berechnungsingenieur beim Simulationsspezialisten CADFEM Germany GmbH unter anderem mit multiphysikalischen Anwendungen. Darüber hinaus ist er Lehrbeauftragter an der TU Darmstadt für die Veranstaltung „Numerische Simulation elektrothermischer Prozesse“

Cadfem Germany GmbH

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Zum Thema Seminar-Tipp:

Multiphysikalische Simulationen mit Ansys Mechanical

Das 2-tägige CADFEM Seminar vermittelt die Theorie und Praxis für die Simulation gekoppelter Felder für das Zusammenspiel von Mechanik, Temperatur und Elektrizität. cadfem.net/multiphysik-seminar < https://www.cadfem.net/de/de/weiterbildung/multiphysik-simulation-mit-ansys-mechanical-18666.html >