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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines Bauteils für eine Warmumformung sowie eine Anordnung hierfür.
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Die mechanische Widerstandsfähigkeit von Stahlbauteilen lässt sich erhöhen, indem das Material durch Erwärmen und anschließendes rasches Abkühlen gehärtet wird. Die hierfür ursächlichen Positionsänderung der Kohlenstoffatome im Metallgitter beginnt mit Erreichen der Austenitisierungstemperatur, wobei die nachfolgende Abkühlung zu einem martensitischen Härtegefüge führt und damit die Festigkeit des Bauteils deutlich erhöht.
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Bei der Verwendung dünnwandiger Stahlbauteile, beispielsweise Platinen, hat sich in diesem Zusammenhang das wirtschaftliche Form- oder Presshärten als Verfahren zur Warmumformung von Blechen etabliert. Hierbei wird die Platine nach dem Erwärmen in ein formgebendes Werkzeug eingelegt, in welchem es umgeformt und durch Abkühlung gehärtet wird.
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Insbesondere in der Automobilindustrie entsteht aus ökologischer und ökonomischer Sicht ein zunehmender Bedarf an so gefertigten hochfesten Karosseriebauteilen, die ein sehr günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen.
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Um die Presswerkzeuge kontinuierlich mit erwärmten Stahlplatinen zu bestücken, werden längliche oder runde Durchlauföfen wie beispielsweise Dreh- oder Rollenherdöfen eingesetzt, die dem Umform- und Härteprozess voranstehen. Eine in den Durchlaufofen eingelegte Stahlplatine durchläuft diesen mittels einer Transporteinheit und wird dabei in der Ofenatmosphäre erwärmt und auf Temperatur gehalten. Bereits vor der Entnahme am Durchlaufausgang hat das Bauteil seine Solltemperatur zur Austenitisierung erreicht.
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Die
DE 10 2005 057 742 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufheizen von Stahlbauteilen. Durch den Einsatz von mehreren Transporteinrichtungen wird neben dem positionsgenauen Transport der Bauteile durch den Ofen auch der Wärmeverlust reduziert, der sich durch den Einsatz sonst üblicher Produktträger ergibt. Diese durchlaufen und verlassen den Ofen zusammen mit den aufgelegten Bauteilen. Bedingt durch den anschließenden Transport außerhalb des Ofens zurück zum Durchlaufeingang kühlen diese zwangsläufig ab und werden beim nächsten Ofendurchlauf wieder erwärmt. Der Wegfall des äußeren Rücktransportes wirkt sich energetisch positiv aus, da der Ofen damit kontinuierlich weniger Masse aufzuheizen hat. Auch durch die mögliche Anordnung von Teilen des Transportsystems außerhalb des Ofens wird die Störanfälligkeit der sonst innerhalb des Ofens befindlichen Systeme gemindert.
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Grundsätzlich benötigt ein Durchlaufofen bauartbedingt viel Platz. Die hierbei eingesetzten Transportsysteme unterliegen unabhängig von ihrer Anordnung einem erhöhten Verschleiß, da sie im Dauerbetrieb laufen und zumindest teilweise kontinuierlich im Kontakt mit der heißen Ofenatmosphäre stehen. Der Anlagenaufbau ist durch seine Abmessungen insgesamt als statisch und für den Umbau bzw. dessen Verlagerung als unflexibel und aufwendig anzusehen. Aufgrund der Dimensionierung stellt solch eine Anlage ein hohes Investment dar, welche zusätzlich eine große Stellfläche belegt und nur schwer in vorhandene Strukturen zu integrieren ist.
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Für Wartungsarbeiten muss entsprechend viel aufgeheizte Masse über längere Zeit hinweg abkühlen und anschließend wieder komplett erwärmt werden. Das durch den charakteristischen Innentransport bedingte hohe Innenvolumen des Ofens, welches auf die erforderliche Temperatur gebracht und gehalten werden muss, führt zu einem hohen Energieverbrauch. Allem voran erfahren die zu erwärmenden Bauteile eine hohe Durchlaufzeit innerhalb der Ofenatmosphäre und neigen dabei zwangsläufig zu einer verstärkten Zunderbildung und Randentkohlung.
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Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erwärmen eines Bauteils für eine anschließende Warmumformung dahingehend zu verbessern, dass die lange Erwärmungszeit im Ofen verringert Lind die Stellfläche der Ofenanlage erheblich reduziert wird. Überdies liegt die Aufgabe darin, eine Anordnung für ein Verfahren zum Erwärmen eines Bauteils zu schaffen, welche eine hohe Flexibilität bezogen auf die Verlagerung und den Umbau der Anlage besitzt und einen deutlich geringeren Energieeinsatz benötigt.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren zum Erwärmen eines Bauteils gemäß den Maßnahmen nach Anspruch 1 sowie einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 10.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines Bauteils für eine anschließende Warmumformung, bei dem das Bauteil in einem Ofen auf eine zuvor definierte Solltemperatur erwärmt wird. Hierbei ist es nicht als zwingend zu erachten, dass eine anschließende Warmumformung der Bauteile erfolgen muss, da die Erwärmung beispielsweise auch den Abschluss einer Oberflächenbehandlung bilden oder dem Anlassen von Stahlbauteilen zum Abbau innerer Spannungen dienen kann.
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Erfindungsgemäß liegt die Innentemperatur des Ofens zu jedem Zeitpunkt des Erwärmens über der zuvor definierten Solltemperatur des Bauteils, wobei das Bauteil bei Erreichen der Solltemperatur aus dem Ofen entnommen wird und nicht bis auf Innentemperatur erwärmt wird. Der besonderen Vorteile liegen in der erhöhten Aufheizgeschwindigkeit und verkürzten Aufwärmzeit des Bauteils.
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Durch die Differenz zwischen der Ofentemperatur und der Temperatur des eingelegten Bauteils fließt die Wärme normalerweise so lange in das Bauteil, bis sich die Temperaturen angeglichen haben. Die Aufheizgeschwindigkeit des Bauteils nimmt hierbei immer stärker ab, je mehr sich die Bauteiltemperatur der Innentemperatur des Ofens nähert. Hierdurch erklärt sich die benötigte lange Verweildauer von Bauteilen in Durchlauföfen, bei denen die Innentemperatur deutlich geringer ist und der Solltemperatur der eingelegten Bauteile entspricht. Durch die erfindungsgemäße Übertemperatur des Ofens verlangsamt sich die Aufheizgeschwindigkeit in Bezug auf die Solltemperatur somit erst später, so dass das Bauteil seine Solltemperatur schneller erreicht und bereits nach deutlich kürzerer Aufwärmzeit aus der Ofenatmosphäre entnommen werden kann.
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Im Rahmen der Erfindung wird es als besonders vorteilhaft angesehen, dass die voreingestellte Innentemperatur des Ofens mindestens 15% über der Solltemperatur des Bauteils liegt. Durch dieses Verhältnis ergibt sich eine wirtschaftliche Balance zwischen dem eingebrachten Energieaufwand für die Übertemperatur des Ofens und der damit erreichten verkürzten Aufheizgeschwindigkeit des Bauteils. Durch die eindeutige Reduzierung der erforderlichen Verweilzeit des Bauteils in der Ofenatmosphäre wird neben der geringeren Taktzeit auch die Zunderbildung und Randentkohlung deutlich vermindert.
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Ausgehend von einer Solltemperatur des Bauteils von 850°C bis 950°C für die Austenitisierung beträgt die Innentemperatur des Ofens 1.100°C bis 1.200°C.
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Um die notwendige Übertemperatur im Inneren des Ofens mit nur geringem Energieaufwand zu erreichen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Ofen nicht als Durchlaufofen, sondern als Kammerofen ausgeführt ist, in dessen Ofenkammer jedes Bauteil einzeln erwärmt wird. Aufgrund der kompakten Abmessungen ergibt sich ein überaus vorteilhaftes Verhältnis von Ofenoberfläche und -volumen zum zu erwärmenden Bauteil. Gegenüber dem Durchlaufofen wird so trotz Übertemperatur eine deutliche Senkung der benötigten Energiemengen erreicht. Je nach Anforderung können auch mehrere Ofenkammern in einem Kammerofen angeordnet sein und/oder mehrere Kammeröfen parallel betrieben werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in der Ofenkammer eine das zu erwärmende Bauteil umgebende Schutzgasatmosphäre eingestellt wird, um die Entkohlung oder Verzunderung des Bauteils während des Erwärmens weitestgehend zu verhindern. Dank des gegenüber Durchlauföfen geringeren Ofenvolumens wird eine deutlich wirtschaftlichere da geringere Menge an Schutzgas benötigt.
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Um keine Elemente für einen Transport des Bauteils innerhalb des Ofens anzuordnen, wird es als vorteilhaft angesehen, dass das Bauteil während des Erwärmens ortsfest verbleibt. Die sich hierdurch ergebende positionsgenaue Lage des Bauteils während und vor allem nach der Erwärmung bewirkt, dass die Notwendigkeit einer Lagekorrektur entfällt. Gerade im Zusammenhang mit einer automatisierten Be- und Entladung des Ofens ergeben sich hierdurch große Vorteile in Form einer einfacheren Steuerung und Zeitersparnis. Da keine Teile einer im permanenten Kontakt zu der Ofenatmosphäre stehenden Transporteinrichtung erforderlich sind, konzentriert sich die Erwärmung nur auf das eingelegte Bauteil. So bleibt ein unnötiges Erwärmen beweglicher Elemente aus und schützt diese vor einem erhöhten Hitzeverschleiß.
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Da die Innentemperatur des Ofens als Übertemperatur über der Solltemperatur des Bauteils liegt, sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass Mittel zur Temperaturerfassung des Bauteils vorgesehen sind. Bei Erreichen der Solltemperatur des Bauteils bewirken diese, dass der Ofen geöffnet und das Bauteil mit unterhalb der Innentemperatur liegenden Solltemperatur entnommen wird. Hierdurch ergibt sich eine gesicherte Wiederholbarkeit des so überwachten Erwärmungsprozesses mit gleich bleibenden Eigenschaften für den anschließenden Umform- und/oder Behandlungsprozess.
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In Kombination oder unter Verzicht auf Mittel zur Temperaturerfassung besteht die Möglichkeit, dass der Ofen nach einem fest voreingestellten Intervall zeitgesteuert geöffnet wird und das Bauteil aus der Ofenkammer entnommen wird.
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Auch wenn grundsätzlich alle möglichen Bauteilformen und Materialien wie beispielsweise vorkonturierte Querschnitte aus Kunststoff auf diese Weise erwärmt werden können, wird es im Rahmen der Erfindung als vorteilhaft angesehen, dass das Bauteil einen dünnwandigen Querschnitt aufweist und eine Stahlplatine ist. Um die Festigkeitseigenschaften des Bauteils zu erhöhen, sieht das Verfahren vor, dass die Stahlplatine in der Ofenatmosphäre auf eine Härtetemperatur > Ac3 erwärmt wird und austenitisiert.
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Zur Erreichung eines wirtschaftlichen Verhältnisses zwischen dem zu beheizenden Innenraum der Ofenkammer und dem eingelegten und zu erwärmenden Bauteil, wird es als vorteilhaft angesehen, dass die den Raum der Ofenkammer begrenzenden Innenflächen einen maximalen Abstand von 30 cm zu dem eingelegten Bauteil aufweisen. Hierdurch wird ein unnötiges Erwärmen von dem Bauteil nicht genutzten Innenraumes vermieden, wobei genügend Abstand zum Rangieren für ein problemloses Beschicken und Entladen der Ofenkammer verbleibt.
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Das hier beschriebene Verfahren sowie die aufgezeigte Anordnung bieten gegenüber der Erwärmung in Durchlauföfen eine Reihe von Vorteilen. Neben einer deutlichen Reduzierung der für die Ofenanlage benötigten Stellfläche ergibt sich eine Verringerung der Erwärmungszeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Ofentemperatur um ca. 80%. Da das Bauteil schneller erwärmt wird und sich damit die Verweilzeit in der Ofenatmosphäre deutlich verkürzt, werden auch die Zunderbildung und Entkohlung stark minimiert. Die verkürzte Erwärmzeit reduziert die notwendige Taktzeit pro Bauteil und erhöht somit die mögliche Taktfolge. Die Verwendung kleinerer und damit deutlich handlicherer Kammeröfen ermöglicht überdies einen flexibleren Einsatz, der einen schnellen Umbau der Anlage ermöglicht.
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Durch den Wegfall von in der Ofenkammer befindlichen Transportelementen reduzieren sich die Instandhaltungsmaßnahmen der Ofenanlage auf ein Minimum. Gleichzeitig werden keine Elemente unnötig mit aufgeheizt. In Kombination aus verkürzter Erwärmzeit und deutlich geringerem Innenvolumen der Ofenkammer mit nur wenigen Elementen im Inneren ergibt sich ein insgesamt deutlich geringerer Verbrauch an Energie. Durch die jederzeitige Entnahmemöglichkeit des Bauteils bei Erreichen der Solltemperatur wird ein unnötiges Verbleiben in der Ofenatmosphäre vermieden.
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In Kombination mit den Mitteln zur Temperaturerfassung richtet sich das Verfahren nach den jeweils aktuellen Gegebenheiten in Form der erreichten Bauteiltemperatur, ohne dass erst das Ende eines zuvor festgelegten Transportprozesses abgewartet werden muss. Selbst Bauteile mit unterschiedlicher Ausgangstemperatur können so problemlos in den Fertigungsprozess integriert werden.
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Insgesamt reduzieren sich somit die Taktzeit sowie die thermische Belastung des Bauteils und die damit einhergehende Zunderbildung mit anschließender Nachbearbeitung auf ein Minimum.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels sowie eines Diagramms näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in einer ersten Ansicht einen erfindungsgemäßen Ofen in Form eines Kammerofens;
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2 den Ofen gemäß der Darstellung von 1 in Kombination mit einem daneben angeordneten Roboter;
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3 den Ofen und den Roboter gemäß der Darstellung von 2 in Kombination mit einem weiteren Ofen gemäß der Darstellung von 1 mit eingelegtem Bauteil und
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4 ein Diagramm einer Schleppmessung durch einen Durchlaufofen mit zu Testzwecken eingestellter Übertemperatur.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ofen 1 als Kammerofen. Der Ofen 1 besteht hauptsächlich aus einem kastenförmigen Gehäuse 2, das an fünf Seiten geschlossen ist und vor Kopf auf einer Längsseite eine Öffnung 3 als Beschickungsort aufweist. Die Öffnung 3 kann durch eine hier nicht näher dargestellte Klappe verschlossen werden, so dass eine allseitig geschlossene Ofenkammer 4 gebildet wird.
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Das Gehäuse 2 des Ofens 1 liegt quer auf einem aus Hohlprofilen bestehenden Gestell 5 und ist mit diesem fest verbunden. Ebenso wie der Ofen 1 besitzt das Gestell 5 eine rechteckige Grundfläche, wobei in jeder Ecke ein Stellfuß 6 vorgesehen ist, über die der Ofen 1 auf dem Boden abgestellt ist und durch die Justierung jedes einzelnen Stellfußes 6 genau ausgerichtet werden kann. Im Innenraum der Ofenkammer 4 befindet sich im unteren Bereich eine Ablage 7, wobei außerhalb auf derselben Seite des Gehäuses 2 im Bereich des Gestells 5 ein Brenner 8 angeordnet ist. Auf der dem Brenner 8 gegenüberliegenden Außenseite des Gehäuses 2 befindet sich ein Rekuperator 9, der somit auf dem Ofen 1 aufsitzt und durch das Gehäuse 2 hindurch sowie eine Innenfläche 10 der Ofenkammer 4 hindurch mit der Ofenkammer 4 verbunden ist. Die Öffnung 3 sowie die Ofenkammer 4 weisen eine Höhe A und in Querrichtung eine Breite B auf.
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2 zeigt den Ofen gemäß der 1 in Kombination mit einem daneben angeordneten Roboter 11. Der Roboter 11 steht seitlich vor der Öffnung 3 des Ofens 1. Am Ende des Roboters 11, näherhin am Roboterarmende, weist dieser eine Koppeleinheit 12 auf, die zur Aufnahme und Ablage eines Bauteils 13 dient.
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3 stellt den bereits in 2 dargestellten Ofen 1 und den Roboter 11 sowie einen daneben angeordneten Ofen 1a dar. Die Anordnung entspricht hierbei dem Praxiseinsatz, wobei der Ofen 1 und der Ofen 1a jeweils auf einer Seite neben dem Roboter 11 steht.
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4 zeigt ein graphisch aufbereitetes Messergebnis einer Schleppmessung durch einen Durchlaufofen. In Form eines Diagramms ist auf einer horizontalen Achse die Zeit und auf einer senkrechten Achse die gemessene Temperatur an drei unterschiedlichen Messpunkten des Bauteils 13 abgetragen. Die für den Durchlauf benötigte Zeitspanne des Bauteils 13 liegt bei rund 180 Sekunden. Durch eine Darstellung über die Zeit sind drei qualitativ ähnliche Messkurven MP1, MP2 und MP3 aufgezeigt, wobei die Messpunkte MP1 in einer Vertiefung (Loch) und MP2 in der Mitte des Bauteils 13 liegen.
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Eine Innentemperatur X des Durchlaufofens ist auf rund 1.150°C voreingestellt und liegt somit deutlich über einer Solltemperatur Y des Bauteils 13 von rund 900°C. Die Temperatur des Bauteils 13 liegt beim Einlegen in den Durchlaufofen in Höhe der Umgebungstemperatur von rund 25°C.
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Den Messkurven MP1, MP2 und MP3 ist zu entnehmen, dass die Aufheizgeschwindigkeit des Bauteils 13 in der Ofenatmosphäre von rund 25°C bis auf ca. 700°C nahezu linear verläuft und im Schnitt rund 24°C pro Sekunde beträgt und ca. 28 Sekunden benötigt. Im weiteren Verlauf nimmt die Aufheizgeschwindigkeit kontinuierlich ab, so dass nach insgesamt 50 Sekunden das Bauteil 13 seine Solltemperatur Y von 900°C und erst nach weiteren 70 Sekunden und damit insgesamt nach rund 120 Sekunden die Innentemperatur X des Ofens in Höhe von rund 1.150°C angenommen hat.
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Im Vorfeld einer Warmumformung wird ein Bauteil 13 in Form einer Stahlplatine auf einer Ablage 7 innerhalb einer Ofenkammer 4 eines als Kammerofen ausgeführten Ofens 1 abgelegt. Die Temperatur des Bauteils 13 entspricht zunächst der äußeren Umgebungstemperatur von rund 25°C. Eine Höhe A sowie eine Breite B der Ofenkammer 4 entsprechen den Abmessungen des Bauteils 13 mit einem Abstand zu jeder Innenfläche 10 der Ofenkammer 4 von 30 Zentimetern.
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Ein Brenner 8 erzeugt hierbei in der Ofenkammer 4 eine Innentemperatur X von rund 1.150°C, wobei ein Rekuperator 9 zur Vorwärmung einer Schutzgasatmosphäre innerhalb der Ofenkammer 4 dient. Durch die große Temperaturdifferenz zwischen der Innentemperatur X der Ofenkammer 4 und dem Bauteil 13 ergibt sich eine hohe und anfänglich annähernd linear verlaufende Aufheizgeschwindigkeit von ca. 24°C pro Sekunde.
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Hier nicht näher dargestellte Mittel zur Temperaturerfassung überwachen dabei die Erwärmung des Bauteils 13.
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Nachdem das Bauteil 13 nach ca. 28 Sekunden bereits eine Temperatur von rund 700°C angenommen hat, verlangsamt sich die Aufheizgeschwindigkeit, so dass nach ca. 50 Sekunden eine Solltemperatur Y des Bauteils 13 in Höhe von 900°C erreicht wird und das Bauteil 13 austenitisiert.
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Mit Erreichen der Solltemperatur Y bewirken die hier nicht näher dargestellten Mittel zur Temperaturerfassung das Öffnen einer Öffnung 3 des Ofens 1. Ein Roboter 11, der mit einer Koppeleinheit 12 ausgestattet ist, entnimmt mit dieser das auf Solltemperatur Y erwärmte Bauteil 13 durch die Öffnung 3 hindurch aus der Ofenkammer 4 von der Ablage 7 und transportiert dieses zu einer hier nicht näher dargestellten Umformanlage.
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Sobald der Roboter 11 das Bauteil 13 in der Umformanlage abgelegt hat, entnimmt er ein nächstes hier nicht näher dargestelltes Bauteil aus einem Magazin und führt dieses dem nunmehr leeren Ofen 1 zur Erwärmung zu. In einem nebenstehenden Ofen 1a befindet sich ein weiteres bereits erwärmtes Bauteil 13a, welches nach Erreichen der Solltemperatur Y ebenfalls über den Roboter 11 aus einer Ofenkammer 4a über eine dann offene Öffnung 3a aus der Ofenkammer 4a entnommen werden kann und der nicht näher dargestellten Umformanlage zugeführt wird.
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Durch den beständigen Wechsel zwischen Beschicken und Entladen jedes einzelnen Ofens 1, 1a ergibt sich eine kontinuierliche Zufuhr von erwärmten Bauteilen 13, 13a zu einer hier nicht näher dargestellten Warmformanlage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofen
- 1a
- Ofen
- 2
- Gehäuse
- 3
- Öffnung
- 3a
- Öffnung
- 4
- Ofenkammer
- 4a
- Ofenkammer
- 5
- Gestell
- 6
- Stellfuß
- 7
- Ablage
- 8
- Brenner
- 9
- Rekuperator
- 10
- Innenfläche
- 11
- Roboter
- 12
- Koppeleinheit
- 13
- Bauteil
- 13a
- Bauteil
- A
- Höhe von 3, 3a und 4, 4a
- B
- Breite von 3, 3a und 4, 4a
- X
- Innentemperatur
- Y
- Solltemperatur
- MP1
- Messpunkt von 13, 13a
- MP2
- Messpunkt von 13, 13a
- MP3
- Messpunkt von 13, 13a
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005057742 B3 [0006]
