Einführung
Der Beitrag stellt eine Systematik zur Auswahl von Wärmebehandlungsanlagen dar. Es wird gezeigt, welche Ofentypen berücksichtigt werden können und welche technischen und kaufmännischen Daten für die Anlagenauslegung wichtig sind. Es werden mit der Maschinenfähigkeitsanalyse und der Wirtschaftlichkeitsanalyse zwei Methoden vorgestellt, die für eine systematische Nutzen/Kosten-Analyse relevant sind.
Die folgende Herangehensweise dient als Leitfaden und hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie zeigt, wie komplex der Entscheidungsprozess bei der Auswahl von Wärmebehandlungsanlagen ist, der in der Regel nur in enger Zusammenarbeit mit dem Ofenbauer erfolgreich umgesetzt werden kann.
Die Wärmebehandlung von Bauteilen ist durch eine Vielzahl von Einflussgrößen geprägt. Geringe Störgrößen haben in der Summe bereits erhebliche Auswirkungen auf das Wärmebehandlungsergebnis. Doch nicht nur der eigentliche Wärmebehandlungsprozess erfordert eine korrekte und reproduzierbare Vorgabe von Prozessparametern, auch die für die Auswahl einer Wärmebehandlungsanlage wesentlichen Fakten haben systematisch erfasst und richtig bewertet zu werden. Im folgenden Beitrag wird der Ansatz unternommen, die für die Auswahl und den Kauf einer Wärmebehandlungsanlage relevanten Parameter festzulegen. Es werden für die systematische und nach Möglichkeit objektive Bewertung dieser Fakten auch die Methoden der Maschinenfähigkeits- und der Wirtschaftlichkeitsanalyse herangezogen
Wärmebehandlung von Metallen
Die folgende Auflistung zeigt in einer groben Übersicht den Umfang der für die Wärmebehandlung von Metallen relevanten Verfahren. Unterschiedliche Ofenatmosphären und Drücke (Vakuumwärmebehandlung) sind unberücksichtigt. Außerdem sind lediglich die für die Prozesse üblicherweise verwendeten Maximaltemperaturen angegeben. Allein bei der Auswahl ergänzender oder konkurrierender Wärmebehandlungsverfahren treten in der Wärmebehandlung eine Vielzahl von Einflussgrößen bzw. Kombinationsmöglichkeiten auf, die alle für die Ermittlung eines optimalen thermischen Prozesses berücksichtigt werden müssen.
Wärmen |
Trocknen bis 300°C |
Vorwärmen bis 900°C |
Warmhalten bis 900°C |
Erwärmen bis 1100°C |
Pulvermetallurgie |
Entbindern bis 750°C |
Sintern bis 1500°C |
Wärmebehandeln |
Erholungsglühen bis 400°C |
Spannungsarmglühen bis 650°C |
Rekristallisationsglühen bis 650°C |
Weichglühen bis 900°C |
Homogenisieren bis 950°C |
Normalglühen bis 950°C |
Normalglühen bis 950°C |
Grobkornglühen bis 1050°C |
Austenitisieren bis 1050°C |
Diffusionsgl. bis 1200°C |
Blankglühen bis 1200°C |
Härten |
Randschichthärten |
Induktionshärten |
Flammhärten |
Einsatzhärten bis 950°C |
Durchhärten |
Altern bis 500°C |
Anlassen bis 650°C |
Aushärten bis 700°C |
Thermoch. Wärmebehandlung |
Nitrieren bis 580°C |
Nitrocarburieren bis 580°C |
Aufkohlen bis 950°C |
Borieren bis 950°C |
Chromieren bis 1000°C |
Beschichten |
Met. Beschichten (Verzinken) |
Nichtmet. Beschichten |
Brünieren bis 150°C |
Lacktrocknen bis 250°C |
Bläuen bis 300°C |
CVD, PVD bis 1200°C |
Löten |
Weichlöten bis 450°C |
Hartlöten bis 700°C |
WB von NE-Werkstoffen |
Aluminium |
Auslagern bis 220°C |
Spannungsarmgl. bis 350°C |
Weichglühen bis 420°C |
Lösungsglühen bis 540°C |
Kupfer |
Lösungsglühen bis 800°C |
Auslagern bis 280°C |
Messing |
| Glühen bis 700°C |
WärmebehandlungsanlagenBei der Bauart einer Wärmebehandlungsanlage oder Industrieofen (gem. VDMA) kann grundsätzlich in kontinuierlich und diskontinuierlich unterschieden werden.Industriell und gewerblich genutzte Erwärmungseinrichtungen, um thermische Vorgänge und im Bauteil oder an seiner Oberfläche ablaufen zu lassen, sind grundsätzlich wie folgt unterteilt:
- Ofenart (d.h. von Wänden umschlossener Raum)
- Bauteilerwärmung (d.h. Lagerung/Herd und Transport)
- Energie-/Wärmezufuhr (d.h. Beheizung/Kühlung und Isolierung)
- Hüllmittel (d.h. Atmosphäre und Druck)
Auswahlkriterien für Wärmebehandlungsanlagen
| Durchstoss | Drehherd | Rollenherd | Band | Kammer | ||
| Bauteile | Stapel | |||||
| Schüttung | ||||||
| Verfahren | Thermisch | |||||
| Thermo-chemisch | ||||||
| Härten | Charge | |||||
| Einzel | ||||||
| Presse | ||||||
| Flexibilität | Hoch | |||||
| Mittel | ||||||
| gering | ||||||
| Automatisierung | Hoch | |||||
| Mittel | ||||||
| Gering | ||||||
| Kosten | Hoch | |||||
| Mittel | ||||||
| Gering |
Bild 2: Wärmebehandlungsanlagen im VergleichDiskontinuierliche
WärmebehandlungsanlagenDiskontinuierlichen Ofenanlagen können gem. folgender Tabelle eingeteilt werden. Auch hier kann eine weitere Untergliederung der Ofentypen erfolgen, wie am Beispiel des Kammerofens gezeigt ist:
| Kammerofen |
| Herdwagenofen |
| Schachtofen |
| Haubenofen |
| Vakuumofen |
| Laborofen |
| Trommelofen |
| Induktionsofen |
| Wirbelbettofen |
| Elevatorofen |
| Oberflächenbeschichtungsanlage |
Tabelle 1: Diskontinuierliche Öfen
| Einkammerofen |
| Doppelkammerofen |
| Mehrkammerofen |
| Kammerschmiedeofen |
| Muldenofen |
| Kammerofen für Gasaufkohlung |
| Kammertrockenofen |
| Hubherdkammerofen |
Tabelle 2: Kammeröfen
Der Umfang dieser Auflistung lässt erahnen, wie schwierig die Auswahl eines optimalen Anlagetyps ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Frage der Atmosphäre (Normalatmosphäre oder Vakuum) oder herstellerbedingte Modifikationen und technologische Entwicklungen zu einer weiteren Zunahme unterschiedlicher Ofentypen führen werden. Bild 3: Atmosphären – Mehrzweckkammerofenlinie (Quelle IBW Dr. Irretier / Aichelin)Bild 4: Modulare Vakuumofenlinie (Quelle IBW Dr. Irretier / ECM)Über die besonderen Qualitäts- und Alleinstellungsmerkmale im Industrieofenbauist bereits in einer Vielzahl von Präsentationen und Veröffentlichungen „bestens“ berichtet worden und wird hier nur kurz angesprochen. Es ist sicher treffend, dass
- sich ein Ofenherd aus SIC-Schienen,
- eine hohe Temperatur- und Atmosphärengleichmäßigkeit,
- ein nicht permanent im Heiß-Bereich befindliches Transportsystem oder auch
- ein großes Ölbadvolumen, hohe Strömungsgeschwindigkeiten oder auch gleichmäßige Abschreckung
- eine gute Isolierwirkung/Reduzierung Wärmeverluste,
- geringe Reaktionen mit Ofenatmosphäre aufweisen,
- hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen,
- schwindungsarm sind,
- hohe Maßgenauigkeit bei geringen Fugenmaßen aufweisen und
- geringe Wärmespeicherung besitzen.
gasbeheizt
|
elektrisch beheizt
|
indirekt
|
direkt
|
Offene Gasbrenner
|
Gasbrenner im Strahlrohr
|
indirekt
|
direkt
|
Heizelemente im Strahlrohr
|
Offene Heizelemente
|
Die Wahl oder Auswahl eines Schutzgases ist für den Prozeß ebenfalls von entscheidender Bedeutung.Die Vorteile der Schutzbegasung sind:
- keine Entkohlung des Bauteils
- keine Verzunderung
- Bauteilgeometrie bleibt erhalten
- Reduzierung Nachbearbeitung, kein Strahlen
- geringerer Wartungsaufwand der Anlage
- geringerer Ofenverschleiß (Dichtungen, Antrieben, Rollen)
- Begasungseinrichtung (Tank, Station, Mess- und Sicherheitstechnik)
- Ofengehäuse und Durchführungen (gasdicht)
- Strahlrohrbeheizung (geringere Oberflächenbelastung)
- Gehäuse- und Flanschkühlung
- Ofenschleuse (Vakuum- oder Spülgas)
| Durchstossöfen |
| Durchziehöfen |
| Rollenherdöfen |
| Bandöfen |
| Tunnelöfen |
| Drehrohröfen |
| Drehherdöfen |
| Hubbalkenöfen |
| Hängebahnöfen |
| Schüttelherdöfen |
| Paternosteröfen |
Tabelle 3: Kontinuierliche Öfen
| Dreherddurchstossofen |
| Durchstoss-Hubtransportofen |
| Flachschalenofen |
| Schubplattenofen |
| Kippschalenofen |
| Schubschalenofen |
| Durchstoss-Gasaufkohlofen |
Tabelle 4: Durchstossöfen
Beurteilungskriterien für Wärmebehandlungsprozesse
Das bei der Auswahl des Wärmebehandlungsprozesses entscheidende Kriterium ist letztendlich die Bauteileigenschaft bzw. –qualität. In Tabelle 5 sind die werkstück- und bauteilbedingten Beurteilungskriterien und deren Analyse- und Messverfahren dargestellt, die für den Anlagenbetreiber von primärer Bedeutung sind.| Beurteilungskriterium Wärmebehandlungsgut | Analyseverfahren. |
Härte |
Härteprüfung |
| Zähigkeit | Kerbschlagbiegeversuch |
| Zugfestigkeit | Zugversuch |
| Biegefestigkeit | Biegeversuch |
| Bruchdehnung | Zugversuch |
| Dauerfestigkeit | Dauerschwingversuch |
| Druckfestigkeit | Druckversuch |
| E-Modul | Zugversuch |
| Scherfestigkeit | Scherversuch |
| Warmfestigkeit | Warmzugversuch |
| Defekte, Risse | Ultraschallprüfung |
| Elektrische Eigenschaften | Diverse Verfahren |
| Gefüge | Metallographie |
| Korrosionsbeständigkeit | Salzsprüchtest |
| Magnetische Eigenschaften | Diverse Verfahren |
| Oberflächenzustand, Reinheitsgrad | Diverse Verfahren |
| Optische Eigenschaften | Diverse Verfahren |
| Randschichtzusammensetzung | GDOS, ESCA |
| Rauheit | Rauheitsprüfung |
Tabelle 5: Beurteilungskriterien wärmebehandelter Bauteile
| Verfahrensbedingte Beurteilungskriterien |
| Anschaffungskosten |
| Betriebskosten |
| Lebensdauer |
| Automatisierbarkeit |
| Design, Einfache Bedienung |
| Finazierungsmodelle (Betreibermodell, Leasing) |
| Flexibilität, Modular erweiterbar |
| Inbetriebnahme, Schulung |
| Internetunterstützten Service |
| Komplettlösungen |
| Platzbedarf |
| Prozessdatenmonitoring zur Qualitätsdokumentation |
| Qualität, Sicherheit |
| Recyclingfähigkeit |
| Teleservice/Fernüberwachung |
| Umweltvertäglichkeit |
| Verfügbarkeit |
| Wartungsfreundlichkeit |
Tabelle 6: Verfahrensbedingte Beurteilungskriterien
Als verfahrensbedingte Beurteilungskriterien sind von Anschaffungs- und Betriebskosten bis hin zu Verfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit eine Vielzahl von Bewertungsgrößen zu berücksichtigen.Die in den folgenden Kapiteln dargestellten Systematiken zur Auswahl des Wärmebehandlungsverfahrens und der Ofenanlage werden im Folgenden dargestellt:Auswahl und Auslegung einer OfenanlageFür die technische Auslegung einer Wärmebehandlungsanlage sind eine Reihe von Anforderungen bzw. Spezifikationen zu klären. Der Ausschuss für wirtschaftliche Fertigung AWF e.V. hatte bereits 1981 eine sogenannte Ofenkarte für brennstoff- oder elektrisch beheizte Industrieöfen entwickelt (AWF 3056), in der die für die Anlagenauslegung wesentlichen Spezifikationen festgelegt werden können.
Bild 6: Ofenkarte für Brennstoff- oder elektrisch beheizte Industrieöfen
Die Festlegung der Funktionen und der Spezifikationen sind Vorraussetzung für eine detaillierte Angebotserstellung und Basis für die vorgestellten Analysen zur Maschinenfähigkeit und zur Wirtschaftlichkeit von Wärmebehandlungsanlagen.
Die kaufmännischen Entscheidungskriterien, die sich im Wesentlichen auf die Kosten pro Bauteil bzw. Gewicht reduzieren lassen, hängen neben den verfahrenstechnischen Wärmebehandlungsparametern vor allem auch von der Stückzahl der Bauteile und der verwendeten Ofenanlage ab.
Bild 7: Einfluss der Stückzahlen auf die Wirtschaftlichkeit verschiedener Ofentypen
Bild 8: Schema Kammerofenlinie (Quelle Aichelin)
Bild 9: Schema Rollenherdofenanlage (Quelle Aichelin)
Bild 10: Schema Durchstossofenanlage (Quelle Aichelin)
| Kammerofen | Rollenherdofen | Durchstoßofen | |
| Chargierung | Manuell | Automatisiert | Automatisiert |
| Personaleinsatz | Hoher Personalaufwand, | Geringer Personalaufwand, | Geringerer Personalaufwand, |
| Platzbedarf | hoher Platzbedarf | Geringerer Platzbedarf | hoher Platzbedarf |
| Schutzgasbetrieb | anlagentechnisch aufwendig | einfach möglich | einfach möglich |
| Produktqualität | Gute Produktqualität, Fehleranfälligkeit | hohe, gleichbleibende Produktqualität durch Automatisierung | hohe, gleichbleibende Produktqualität durch Automatisierung |
| Flexibilität | Hoch, leicht anpassbar für andere Glühverfahren | Einschränkungen durch fixe Ofengeometrie | Einschränkungen durch fixe Ofengeometrie |
| Erweiterbarkeit | Möglich, modular erweiterbar | bedingt möglich | bedingt möglich |
| Chargiermittel | Relativ massiv, vergleichsweise hoher Verbrauch | Leichtere Ausführung möglich, längere Lebensdauer | Relativ massiv, vergleichsweise hoher Verbrauch |
| Engineering/Ausführung | standardisierte Technologie, geringer Planungsaufwand | Kundenspezifische Anlagenauslegung, aufwendige Anlagentechnik | Kundenspezifische Anlagenauslegung, aufwendigere Anlagentechnik |
| Investitionskosten | Bei niedriger Durchsatzleistung günstiger | Bei hoher Durchsatzleistung günstiger | Bei hoher Durchsatzleistung günstiger |
| Betriebskosten | hoch | geringer | höher |
Tabelle 7: Gegenüberstellung Kammer,- Rollenherd- und Durchstossofen
Die Annahmen für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der genannten Ofenanlagen sind im Folgenden aufgestellt (Vortrag Aichelin HK Wiesbaden 2009):
Jahresarbeitszeit: netto 6000 h/a, standby 1000 h/a
Abschreibung: 10 Jahre, Zinsen 5 %
Personalkosten: 50.000.- € p.a.
Wartungskosten: 2 % der Investitionssumme
Kosten Aufstellungsfläche: 120 €/m² p.a.
Kosten Strom 9,1 €-Cent/kWh
Gas 3,7 €-Cent/kWh
Stickstoff 11 € Cent/m³
(spezifische Verbräuche der betrachteten Anlage,
Chargiermittel nicht berücksichtigt)
Leistungsvergleich: Kammerofenanlage 1000 kg/h
Rollenherdofenanlage 3000 kg/h
Durchstoßofenanlage 1000 kg/h
| Betriebskosten | Kammerofen€-Cent/kg | Rollenherdofen€-Cent/kg | Durchstoßofen€-Cent/kg |
| mit Schutzgasmit Invest-/ Personalkosten | — | 9,2 | 17,6 |
| mit Schutzgasohne Invest-/Personalkosten | — | 3,2 | 3,7 |
| ohne Schutzgasmit Invest-/Personalkosten | 17,4 | 8,1 | 16,4 |
| ohne Schutzgasohne Invest-/Personalkosten | 3,8 | 2,7 | 3,2 |
Tabelle 8: Wirtschaftlichkeitsvergleich von Ofenanlagen
Qualität von Ofenanlagen – Maschinen- und Prozeßfähigkeit
Der Betreiber von Wärmebehandlungsanlagen erwartet zweifelsfrei ein Produkt, um hochwertige Bauteile glühen und härten zu können. Inwieweit eine Ofenanlage seinen Anforderungen gerecht wird, kann mit den statistischen Kennwerten der Maschinen- oder Prozeßfähigkeit systematisch ermittelt und festgelegt werden.
Mit der in diesem Zusammenhang stehenden Maschineneignungsprüfung wird die Fähigkeit ermittelt, gewisse Anforderungen zu erfüllen. Bei abtragenden Bearbeitungsmaschinen lassen sich zur Güteprüfung der Anlage beispielsweise Parallelitäts- und Toleranzkriterien, die in speziellen Prüfnormen (DIN 8601 bis DIN 8668) festgehalten sind, quantifizieren.
Wie aber bewertet der Wärmebehandler die Qualität seines Ofens? Die für den Industrieofenbau relevante Norm DIN 17052–1 legt als Qualitätskriterium die Temperaturgleichmässigkeit von Wärmebehandlungsöfen fest. Demnach wird in Güteklassen A, B, C unterteilt.
Die nordamerikanische Automotive Industry Action Group (AIAG) erstellte CQI-9 (Continous Quality Improvement) wird zukünftig eine erhebliche Anforderungen an Ofenbau und Betreiber stellen. Ein Fragen- und Forderungskatalog bezüglich der eingesetzten Ofentechnik und Verfahren ist Basis dieses Regelwerkes und veranlasst die Unternehmen im Rahmen ein jährliches Selbstaudits Abweichungen vom Standard aufzuzeigen und Maßnahmen festzulegen und auch deren Wirksamkeit zu überprüfen.
Basis der CQI-9 sind die in der Aerospace Material Specification (AMS) 2750D enthaltenen Vorgaben bezüglich der Genauigkeit (SAT) und Temperaturgleichmäßigkeit (TUS) von Industrieöfen und weiter die Vorgabe hinsichtlich Verwendung der Meßsysteme und der Häufigkeit der durchzuführenden Messungen.
Die Aerospace Material Specfication AMS 2750 D stellt hohe Anforderungen an Thermoprozessgeräte, die in der Wärmebehandlung zur Anwendung kommen. Dieses sind insbesondere Thermoelemente, allgemeine Meßinstrumente, Systemgenauigkeitsprüfungen (System Accuracy Test – SAT) für Thermoprozessgeräte und die Prüfung der Temperaturgleichmäßigkeit (Temperature Uniformity Surveys – TUS).
Mithilfe der (SAT) zertifizierten Instrumente soll sichergestellt werden, dass ein authentifizierter Nachweis der Instrumentengenauigkeit innerhalb eines definierten Toleranzrahmens vorliegt. Die Prüfungsergebnisse müssen gemäß AMS 2750 in einer normierten Form erfasst werden.
Die eingesetzten Prüfinstrumente müssen vorher eine vollständige SAT-Kalibrierung durchlaufen, bevor sie in Prozessen eingesetzt werden können. Dabei sind die SAT in vorgeschriebenen Abständen in Abhängigkeit der eingeteilten Ofenklassen monatlich, vierteljährig oder halbjährig durchzuführen (Näheres siehe AMS 2750 D und www.aerospace.sae.org). Durch Dokumentation muss außerdem nachgewiesen werden, dass die Meßinstrumente den Genauigkeitsanforderungen der AMS 2750D erfüllen.
Die Genauigkeitstoleranz der Meßsysteme spielt bei der AMS 2750D eine entscheidende Rolle. Die Kalibriergenauigkeit der Geräte darf dabei +/- 1,0 Grad F (+/- 0,6 Grad C) oder +/- 0,1% des Messwerts in Grad F nicht überschreiten.
Die Datenaufzeichnung muss mit einer Kalibriergenauigkeit von +/- 2 Grad F (+/- 1,1 Grad C) erfolgen. Die maximal zulässige SAT-Gesamtdifferenz des Ofens ist nach Ofenklasse definiert:
| Ofenklasse 1 |
| Maximale SAT-Gesamtdifferenz +/- 2 Grad F (+/- 1,1 Grad C) oder 0,2 % des Messwerts (je nachdem, was größer ist). Maximal zulässige SAT-Anpassung +/- 1,5 Grad C. |
Ofenklasse 2 |
| Maximale SAT-Gesamtdifferenz +/- 3 Grad F (+/- 1,7 Grad C) oder 0,3% des Messwerts (je nachdem, was größer ist). Maximal zulässige SAT-Anpassung +/- 3,0 Grad C. |
Ofenklasse 3 |
| Maximale SAT-Gesamtdifferenz +/- 4 Grad F (+/- 2,2 Grad C) oder 0,4% des Messwerts (je nachdem, was größer ist). Maximal zulässige SAT-Anpassung +/- 5,0 Grad C oder +/- 0,38% der Betriebstemperatur. |
Ofenklasse 4 |
| Maximale SAT-Gesamtdifferenz +/- 4 Grad F (+/- 2,2 Grad C) oder 0,4% des Messwerts (je nachdem, was größer ist). Maximal zulässige SAT-Anpassung +/- 6,0 Grad C oder +/- 0,38% der Betriebstemperatur. |
Ofenklasse 5 |
| Maximale SAT-Gesamtdifferenz +/- 5 Grad F (+/- 2,8 Grad C) oder 0,5% des Messwerts (je nachdem, was größer ist). Maximal zulässige SAT-Anpassung +/- 7,0 Grad C oder +/- 0,38% der Betriebstemperatur. |
Ofenklasse 6 |
| Maximale SAT-Gesamtdifferenz +/- 10 Grad F (+/- 5,6 Grad C) oder 1,0% des Messwerts (je nachdem, was größer ist). Maximal zulässige SAT-Anpassung +/- 0,75% der Betriebstemperatur. |
Die AMS 2750 D gibt in diesem Zusammenhang weiter vor, dass die Kalibrierung der Instrumente nach NIST oder einem gleichwertigen nationalen Standard erfolgen muss. Der grundsätzliche Sinn und Zweck der Systemgenauigkeitsprüfung liegt darin, die Abweichung zwischen dem Prüfinstrument und dem akkreditierten Kalibrierinstrument zu ermitteln, so dass eine Rückverfolgbarkeit gewährleistet ist. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die Abweichung innerhalb der in AMS 2750 D niedergelegten Toleranzen liegt.
Gemäß AMS 2750 D werden Toleranzen in Grad Fahrenheit angegeben und auf eine Dezimalstelle genau in Grad Celsius umgerechnet. Bei der Verwendung von Instrumenten in Öfen insbesondere der Klassen 1 und 2 ist daher Sorgfalt geboten. Es ist sicherzustellen, dass sich die Instrumente für den gewünschten Betriebsbereich genau konfigurieren lassen. Die erforderliche Genauigkeit für die Anzeige von Kalibrierfehlern kann die Verwendung von Instrumenten mit vierstelligen Anzeigen z.B. auf maximal 999,9 Grad C beschränken.
Die Temperaturgleichmäßigkeit spielt im Industrieofenbau eine wesentliche Rolle. Hier zeigt sich in besonderem Maße, ob durch angepasstes Ofendesign ein geometrisch optimierter Aufbau der Heizkammer und eine Anpassung der Heizelemente an die Anforderungen vorliegt. Gemäß AMS 2750D wird entsprechend der erreichten Temperaturgleichmäßigkeit der Ofen in entsprechende Klassen eingeteilt.
Es gelten dabei folgende (Temperaturgleichmäßigkeits-) TUS-Toleranzen (Messung gem. DIN ISO 17052-2):
| Ofenklasse 1: +/- 5 Grad F oder +/- 3 Grad C |
| Ofenklasse 2: +/- 10 Grad F oder +/- 6 Grad C |
| Ofenklasse 3: +/- 15 Grad F oder +/- 8 Grad C |
| Ofenklasse 4: +/- 20 Grad F oder +/- 10 Grad C |
| Ofenklasse 5: +/- 25 Grad F oder +/- 14 Grad C |
| Ofenklasse 6: +/- 50 Grad F oder +/- 28 Grad C |
Die Qualität von Wärmebehandlungsanlagen ausschließlich von der erreichten Temperaturgleichmäßigkeit abhängig zu machen ist nicht ausreichend. So sind in der Härtepraxis beispielsweise der Verzug, die Oberflächenhärte oder auch die Zähigkeit zur Beurteilung der Qualität des Bauteils und somit des Verfahrens wesentlich wichtiger als die Temperaturverteilung im Ofen.
Fähigkeitskennwerte, die beispielsweise aus der erreichten Härte resultieren, setzen für Maschinen und Anlagen statistische Toleranzgrenzen für ein bestimmtes Merkmal voraus. Die Toleranz der Messergebnisse eines charakteristischen Merkmals wird demnach zum sechsfachen der tatsächlichen Streuung des Prozesses ins Verhältnis gesetzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass zu 99,37 % die Messwerte innerhalb der erlaubten Toleranz liegt.
Fähigkeitskennwert C = ,
mit Toleranz = Oberer Grenzwert – unterer Grenzwert
| 68,26 % |
| 95,44 % |
| 99,73 % |
| 99,89 % |
| 2s |
| 4s |
| 6s |
| 8s |
| UGW |
| OGW |
| Toleranz |
Bild 11: Normalverteilung nach Gauß
Ein Fähigkeitskennwert von 1 für einen Härteofen würde somit bedeuten, dass von 1000 wärmebehandelten und geprüften Teilen 2,7 Teile ein Merkmal aufweisen (z.B. Bauteilverzug (oder Härte bzw. Zähigkeit), das außerhalb der Toleranz liegt. (Bei C = 1 ist T = 6 s = 99,73 %, d.h. 0,27 % @ 2,7 Teile von 1000 liegen außerhalb der Toleranz). Bei einem Fähigkeitskennwert von 2 ist die geforderte Toleranz doppelt so groß, d.h um 100 % größer als die Streuung.
Diese Betrachtungsweise ist abhängig vom statistischen Verteilungsmodell, das nach wissenschaftlichen Untersuchungen nur zu etwa 2 % der Normalverteilung entspricht. Die Abweichungen von der Normalverteilung werden über den kritischen Fähigkeitsindex Ck berücksichtigt. Erste Einflussgröße auf den Fähigkeitsindex ist die Betrachtungseinheit.
Die Maschinenfähigkeit ist somit als das Verhältnis der Toleranz zur Produktionsstreuung eines Merkmals einer bestimmten Wärmebehandlungscharge anzusehen. Faktoren wie Chargen-Effekte, Temperaturinhomogenitäten und Qualifikation des Wärmebehandlungspersonals werden nicht berücksichtigt. Ein Stichprobenumfang wird in der Regel als ausreichend angesehen, so daß die Maschinenfähigkeit auch als eine Art Kurzzeitprozeßfähigkeit angesehen werden kann, obwohl die Maschinenfähigkeit von Wärmebehandlungsanlagen per Definition die Fähigkeit eines Ofens beschreibt, eine bestimmte Bauteileigenschaft unter Idealbedingungen zu erreichen.
Der kritische Fähigkeitskennwert berücksichtigt die Lage der Verteilung im Toleranzfeld:
Kritische Fähigkeit Ck = =
| UGW |
| OGW |
| Toleranz |
| Mittelwertkritische Verteilung |
Bild 12: Kritische Verteilung
Die Prozeßfähigkeit berücksichtigt im Gegensatz zur Maschinenfähigkeit die prozessbeeinflussenden Größen wie z.B. Temperatur- oder Atmosphäreninhomogenitäten aber auch fertigungsbedingte Einflüsse wie Oberflächenrauheit und Reinigungszustand. Damit beschreibt die Prozessfähigkeit die Beherrschbarkeit des gesamten Wärmebehandlungsprozesses.
Bild 13 zeigt zusammenfassend die Bewertung von Fähigkeitskennwerten (Maschinen- oder Prozeßfähigkeit).
| UGW |
| OGW |
| Toleranz |
| C = 2,0; Ck = 2,0 |
| C = 1,33; Ck = 1,33 |
| C = 1,33; Ck = 1,1 |
C = 1,33; Ck = 0,8 |
| C = 0,8; Ck = 0,5 |
Wie ist nun mit einem solchen Beurteilungsmodell praktisch zu arbeiten? In Lastenheften der Ofenbauer wird heute noch auf die Angabe der Maschinenfähigkeitwerte verzichtet. In anderen Technologiebereichen (z.B. spanende Fertigungsverfahren) werden heute nicht selten Maschinenfähigkeitwerte von 1,33 oder 1,67 gefordert. In den wenigsten Fällen sind jedoch die spezifischen Merkmale definiert, für die gewünschte Maschinenfähigkeit erreicht werden muß. Eine generelle Aussage bezüglich eines Kennwertes von 1,33 führt spätestens bei der Ab- und Inbetriebnahme zu entsprechenden Diskussionen. Es ist daher erforderlich, die relevanten und kritischen Merkmale festzulegen.
In gleicher Weise ist mit den Systemgrenzen der Betrachtung zu verfahren. So ist es für einen Ofenbauer nahezu unmöglich einen Maschinenfähigkeitskennwert von 1,33 zu erreichen, wenn er keinen Einfluss auf den Werkstoff, die Bauteiloberfläche oder die Beladung des Ofens hat. Vor diesem Hintergrund muss immer sehr kritisch geprüft werden, welchen Nutzen Maschinenfähigkeitszusagen haben, die einen idealisierten Zustand frei von Einflussgrößen zugrundelegen. Prozessfähigkeitskennwerte hingegen berücksichtigen Einflussgrössen. Es wird aber nur schwer vom Ofenbauer zu erwarten sein, eine Garantie bezüglich nicht beeinflussbarer Umgebungsgrößen und deren Auswirkungen auf seine Anlage abzugeben.
Nutzwert-/Wirtschaftlichkeitsanalyse
Nutzwert-/Wirtschaftlichkeitsanalysen sind auch unter dem Begriff Nutzwert-Kosten-Analyse bekannt und finden heutzutage in nahezu allen Bereichen der Technik Verwendung. Sie vereinfachen eine Auswahlentscheidung zwischen verschiedenen Alternativen, selbst dann wenn eine Vielzahl von Kriterien, die nicht oder nur mit unverhältnismässig hohem Aufwand monetär quantifiziert werden können, erfasst werden müssen.
Eine Analyse besteht in der Regel aus drei Teilen, der Wirtschaftlichkeitsrechnung, der Nutzwertanalyse sowie der Gesamtbewertung. Sämtliche monetär quantifizierbare Kriterien werden in dem Teil Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt. In der Nutzwertanalyse werden alle monetär nicht quantifizierbaren Kriterien bewertet, z.B. auch die Erkenntnisse aus der Maschinenfähigkeitsanalyse. Aus den Ergebnissen der Wirtschaftlichkeitsrechnung und der Nutzwertanalyse wird schliesslich in der Gesamtbewertung das individuelle Testergebnis und somit die Rangfolge der ausgewählten Wärmebehandlungsanlagen abgeleitet.
Eine Wirtschaftlichkeitsrechnung ist für Investitionsobjekte als alleinige Entscheidungsgrundlage oft nicht ausreichend. Deshalb wird in der Regel zusätzlich noch eine Nutzwertanalyse durchgeführt. In der Nutzwertanalyse werden Kriterien berücksichtigt, die von wirtschaftlicher Bedeutung sind, sich aber nicht oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand monetär quantifizieren lassen. Mit Hilfe der Nutzwertanalyse lässt sich eine Bewertung von Lösungsalternativen anhand von Kriterien vornehmen. Eine Umrechnung in Geldwerte ist nicht nötig. Die Alternative mit dem höchsten Nutzwert erfüllt die Präferenzen des Entscheidungsträgers am besten. Das Vorgehen ist in folgender Tabelle dargestellt.
| 1. SchrittWelche Kriterien müssen bewertet werden? | 2. SchrittWie wichtig sind die kriterien für den Betreiber | 3. SchrittWie gut erfüllt die Alternative die Kriterien? | 4. SchrittErgebnis |
| Kriterium 1: Gewichtung x Bewertung = Teilnutzwert 1 | |||
| Kriterium 2: Gewichtung x Bewertung = Teilnutzwert 2 | |||
| Kriterium 3: Gewichtung x Bewertung = Teilnutzwert 3 | |||
| Kriterium n: Gewichtung x Bewertung = Teilnutzwert n | |||
| Nutzwert der Alternative = Summe der Teilnutzwerte | |||
Tabelle 9: Vorgehensweise einer Nutzwertanalyse zur Auswahl einer Anlage
Zunächst wird eine Liste sämtlicher entscheidungsrelevanter Kriterien, die noch nicht in der Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt wurden, aufgestellt. Der Planer muss festlegen, wie wichtig jedes der Kriterien für den Anlagenbetreiber ist. Dieses ist über einen paarweisen Vergleich der Kriterien möglich. Die Gewichtung erfolgt in Prozentwerten.
| Kriterium | Gewichtung | Bewertung | Teilnutzwert |
| Technik | |||
| Automatisierung | 0,8 | 6 | 4,8 |
| Prozessdokumentation | 0,5 | 6 | 3,0 |
| Lebensdauer | 0,9 | 8 | 7,2 |
| Temperaturgenauigkeit | 0,8 | 9 | 7,2 |
| Atmosphärenregelung | 0,8 | 9 | 7,2 |
| Aufheizgeschwindigkeit | 0,4 | 9 | 3,6 |
| Wartungsanfälligketeit | 0,6 | 9 | 5,4 |
| Serviceverfügbarkeit | 0,4 | 9 | 5,4 |
| Flexibilität | |||
| Modelltypenvielfalt | 0,3 | 2 | 0,6 |
| Änderungsmöglichkeiten | 0,4 | 3 | 1,2 |
| Umwelt | |||
| Lärm | 0,4 | 7 | 2,8 |
| Abgas | 0,4 | 7 | 2,8 |
| Abwasser | 0,4 | 7 | 2,8 |
| Abfall | 0,4 | 7 | 2,8 |
| Giftige Reststoffe | 0,6 | 7 | 4,2 |
| Sonstiges | |||
| Image Lieferant | 0,8 | 10 | 8,0 |
| Unfallsicherheit | 0,7 | 9 | 6,3 |
| Garantie | 0,3 | 8 | 2,4 |
| Relativer Nutzwert | 77,7 % |
Tabelle 13: Beispiel Nutzwert einer Wärmebehandlungsanlage (Gewichtung 1 = hoch, Bewertung 10 = sehr gut, ausgezeichnet)
Im nächsten Schritt wird untersucht wie gut die ausgewählte Wärmebehandlungsanlage mit dem Anforderungsprofil übereinstimmt. Dazu wird zunächst angegeben, wie gut die Anlage jedes Kriterium erfüllt. Das Ausweichen auf Prozentwerte ist nötig um vergleichbare dimensionslose Größen zu erhalten.
In Tabelle 13 sind die Teilnutzwerte der Kriterien und der Gesamtnutzwert (Summe der Teilnutzwerte) der Wärmebehandlungsanlage angegeben. Je höher der Nutzwert ist, desto besser erfüllt sie die individuellen Anforderungen eines Anlagenbetreibers.
Aus den Ergebnissen der Wirtschaftlichkeitsrechnung und der Nutzwertanalyse ist nun eine Entscheidung abzuleiten. Hilfreich ist hier eine übersichtliche Ergebnisdarstellung, beispielsweise in Form eines Diagramms.
Auf der Ordinate des Koordinatensystems kann beispielsweise die Rentabilität, die Amortisation oder der Kapitalwert aus der Wirtschaftlichkeitsrechnung aufgetragen werden. Im vorliegenden Fall wurde der Kapitalwert ausgewählt. Auf der Abszisse ist der Nutzwert aus der Nutzwertanalyse für die im Beispiel beschriebene Wärmebehandlungsanlage (WA 1) und zwei Vergleichsöfen (WA 2 und WA 3) aufgetragen.
Bild 13: Grafische Darstellung einer Nutzwert/Kosten-Analyse
Falls der Entscheidungsträger einen Mindestnutzwert fordert oder den finanziellen Gesamtaufwand begrenzt, werden alle Alternativen die diese Vorgaben nicht erfüllen von der folgenden Auswahlentscheidung ausgeschlossen. Existiert eine Alternative, die gleichzeitig den höchsten Nutzen und auch die höchste wirtschaftliche Wertigkeit aufweist, handelt es sich bei ihr um die beste Alternative.
Liegt wie keine derartige Alternative vor, wird zuerst versucht die Anzahl der zu bewertenden Alternativen zu verkleinern. Dazu wird jede Alternative, die sowohl eine niedrigere wirtschaftliche Wertigkeit als auch gleichzeitig einen niedrigeren Nutzwert als eine andere Alternative aufweist, ausgesondert. In Bild 13 kann Ofen-Alternative 3 auf diese Weise ausgesondert werden. Bei den verbliebenen Alternativen 1 und 2 ist die Frage zu beantworten, ob der höhere Nutzwert des Ofens 1 deren niedrigere wirtschaftliche Wertigkeit (höhere Kosten) aufwiegt. Massgebend für die Entscheidung über eine der beiden übrigen Alternativen ist hier die Bedeutung, die der Entscheidungsträger den Kosten und dem Nutzwert beimisst.
Zusammenfassung
Eine Vielzahl von Entscheidungen kennzeichnen unser Leben, sowohl im privaten als auch im geschäftlichen Bereich. Da die wirtschaftlichen und technischen Zusammenhänge bestimmter Prozesse immer vielschichtiger, differenzierter und auch unübersichtlicher werden, ist daher deren systematische Erfassung und Analyse erforderlich.
Der vorliegende Beitrag stellt in einer Übersicht die bei der Wärmebehandlung von Metallen relevanten Verfahren, Anlagentypen sowie bauteil- und verfahrensbedingte Beurteilungskriterien vor. Es wird deutlich, dass eine vollständige und korrekte Erfassung aller Parameter äusserst schwierig und nur im Team mit der Unterstützung des Ofenbauers realisiert werden kann.
Die vorgestellten Ansätze und Überlegungen sollen helfen, den komplexen Entscheidungsprozess bei der Investitionsplanung von Wärmebehandlungsanlagen transparenter zu gestalten und zu verlässlichen Aussagen zu gelangen.
Mit den vorgestellten Analysemethoden wird das Investitionsrisiko zwar nicht restlos beseitigt, aber deutlich reduziert. Die Qualität der Analyse hängt davon ab, wie genau die Planer die Beurteilungskriterien festlegen und die entsprechenden Zahlungsströme bestimmen. Wichtig ist, dass die Ziele und deren Gewichtung mit Sorgfalt an die Gegebenheiten des Betriebes angepasst werden. Angesichts der hohen Investitionssumme einer Wärmebehandlungsanlage wird daher empfohlen, vor dem Aufwand, der für eine verlässliche Wirtschaftlichkeitsanalyse nötig ist, nicht zurückzuschrecken.
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