Abbildungsverzeichnis .......................................... xi
Tabellenverzeichnis ............................................ xv
Nomenklatur .................................................. xvii
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Einführung in die Thematik der Prozesssimulation ........ 1
1.2 Einsatz der Infrarottrocknung im Fahrzeugbau ............ 3
1.3 Empirische Auslegung von Infrarotstrahleranlagen ........ 5
1.4 Motivation zur simulationsbasierten Auslegung ........... 0
1.5 Ziel und Aufbau der Arbeit .............................. 7
2 Simulationsbasierte Produktionsprozess-Optimierung .......... 11
2.1 Überblick aktueller Konzepte ........................... 11
2.2 Erweitertes Konzept zur Prozessoptimierung ............. 14
2.3 Zusammenfassung ........................................ 16
3 Prozessanalyse — Phänomenologie und Parametrisierung ........ 19
3.1 Grundlagen des Wärmetransports ......................... 19
3.1.1 Wärmeleitung .................................... 19
3.1.2 Konvektion ...................................... 21
3.1.3 Wärmestrahlung .................................. 22
3.1.4 Wärmedurchgang .................................. 27
3.1.5 Wärmeleitung in verdünnten Gasen ................ 28
3.1.6 Anfangs- und Randbedingungen .................... 29
3.2 Wärmeeintrag mittels Infrarotstrahler .................. 32
3.2.1 Wärmeemission industrieller Infrarotstrahler .... 33
3.2.2 Absorption der Wärmestrahlung im Bauteil ........ 36
3.3 Wärmetransport im Bauteil .............................. 38
3.3.1 Wärmeleitung .................................... 38
3.3.2 Thermischer Kontakt ............................. 39
3.3.3 Wärmestrahlung .................................. 40
3.3.4 Konvektiver Wärmetransport ...................... 41
3.4 Zusammenfassung ........................................ 43
4 Ermittlung der Prozessparameter ............................. 45
4.1 Modellierung von Infrarotstrahlern ..................... 45
4.1.1 Spektrales Abstrahlungsverhalten ................ 45
4.1.2 Räumliches Abstrahlungsverhalten ................ 46
4.1.3 Einflüsse wesentlicher Anlagentoleranzen ........ 48
4.1.4 Zusammenfassende Modellierungsrichtlinie ........ 49
4.2 Emissionsgradmessungen ................................. 50
4.3 Thermischer Kontakt punktgeschweißter
Metallverbindungen ..................................... 55
4.3.1 Schweißpunktverbindungen im
Fahrzeugkarosseriebau ........................... 55
4.3.2 Analytische Abschätzung ......................... 50
4.3.3 Experimentelle Bestimmung an
punktgeschweißten Blechen ....................... 63
4.3.4 Experimentelle Bestimmung an flanschartigen
Verbindungen .................................... 71
4.3.5 Zusammenfassende Richtlinie ..................... 73
5 Prozesssimulation ........................................... 79
5.1 Finite-Elemente-Formulierung der Wärmeleitung .......... 79
5.2 Modellbildung .......................................... 80
5.2.1 Modellreduktion ................................. 80
5.2.2 Modellkonvertierung ............................. 80
5.2.3 Modellergänzung ................................. 81
5.2.4 Anfangs- und Randbedingungen .................... 82
5.3 Simulation ............................................. 84
5.3.1 Verwendung mittlerer Kennwerte .................. 84
5.3.2 Parameterstudio ................................. 86
5.4 Zusammenfassung ........................................ 87
6 Experimentelle Validierung .................................. 89
6.1 Vorgehen zur Experimentellen Validierung ............... 89
6.1.1 Experimentelles Design .......................... 91
6.1.2 Metriken ........................................ 92
6.2 Messsystem und Aufbau - Experimentelles Design ......... 95
6.2.1 Applikation der Thermoelemente .................. 95
6.2.2 Kalibrierung und Positionierung der
Thermokamera .................................... 96
6.3 Messung und Messauswertung ............................. 97
6.3.1 Betrachtung einer Produktionsanlage ............. 98
6.3.2 Erweiterung auf mehrere Produktionsanlagen ..... 102
6.3.3 Zusammenfassung der Messergebnisse ............. 103
6.4 Vergleich von Messung und Simulation .................. 105
6.4.1 Verwendung mittlerer Kennwerte ................. 105
6.4.2 Kennwertanpassung .............................. 109
6.4.3 Übergang auf eine neue Baureihe ................ 111
6.5 Zusammenfassung ....................................... 116
7 Prozessoptimierung ......................................... 117
7.1 Präzisierung des Optimierungsproblems ................. 117
7.1.1 Einführung in Optimierungsprobleme ............. 117
7.1.2 Das thermische Optimierungsproblem der
Infrarottrocknung .............................. 118
7.2 Wahl des Optimierungsverfahrens ....................... 123
7.3 Vorbetrachtungen zur Anzahl freier Parameter .......... 125
7.4 Nutzung von Ersatzmodellen ............................ 127
7.4.1 Grundlagen der Ersatzmodelle ................... 127
7.4.2 Stützstellenbestimmung Design of
Experiment ..................................... 131
7.5 Optimierungskonzept zur Strahlerauslegung ............. 133
7.5.1 Innere Schleife zur Optimierung der
Strahlerleistung ............................... 133
7.5.2 Äußere Schleife zur Optimierung
der Strahlerposition ........................... 134
7.6 Anwendung des Optimierungskonzepts .................... 138
7.6.1 Test des Optimierungskonzepts .................. 139
7.6.2 Optimierung der Strahlerleistung für eine
Baureihe ....................................... 140
7.6.3 Übergang auf eine neue Baureihe ................ 141
7.7 Zusammenfassung ....................................... 144
8 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 147
8.1 Zusammenfassung ....................................... 147
8.2 Ausblick .............................................. 149
A Konzepte zur Modellentwicklung ............................. 151
A.l Entwicklungskonzept, nach SCHLESINGER et al .......... 151
A.2 Credibility Assessment nach Mehta .................... 152
A.3 ASME-Leitfaden zur Verifizierung und Validierung ..... 153
A.4 Vorgehensweise zur Prozessabsicherung nach KURZ ...... 154
B Herleitungen zur Wärmestrahlung ............................ 155
B.l Integration der spektralen Strahldichte ............... 155
B.2 Extinktionskoeffizient und optische Dicke ............. 155
B.2.1 Definitionen ................................... 155
B.2.2 Anwendung auf Lackschichten .................... 150
C Materialeigenschaften ...................................... 157
C.l Wärmeleiteigenschaften von DC04 ....................... 157
C.2 Lack-Emissionsgrade ................................... 158
C.2.1 Überlegungen zu Emissionsgradunterschieden ..... 158
C.2.2 Messung spektraler gerichteter
Emissionsgrade ................................. 160
D Experimentelle Bestimmung von
Wärmeübergangskoeffizienten ................................ 163
Literaturverzeichnis .......................................... 165
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