Die induktive Erwärmung ist ein etabliertes und hocheffizientes Verfahren in der modernen Fertigungs- und Prozesstechnik. Ob Härten, Löten, Schrumpfen oder gezielte Wärmebehandlung – die berührungslose, schnelle und lokal präzise Wärmeeinbringung macht Induktionsheizung zum Verfahren der Wahl in zahlreichen Industriezweigen. Die zugrunde liegenden physikalischen Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischem Feld, induziertem Strom und resultierender Wärmeverteilung sind jedoch komplex und ohne numerische Simulation kaum vorherzusagen.

Wir simulieren induktive Heizvorgänge für technische Bauteile aus verschiedensten Materialien – in 2D und 3D, inklusive der umgebenden Medien. Dabei verbinden wir die elektromagnetische Feldsimulation mit Elmer und die Wärmeausbreitungsberechnung mit OpenFOAM zu einer leistungsfähigen, gekoppelten Multiphysik-Simulation – integriert in unsere Softwareumgebung InsightCAE.

Was leistet die Simulation induktiver Heizung?

Die numerische Simulation des Induktionsheizens erlaubt eine vollständige, physikalisch konsistente Beschreibung des Erwärmungsprozesses – von der Spulengeometrie bis zur Temperaturverteilung im Bauteil und seiner Umgebung:

• Berechnung der elektromagnetischen Feldverteilung – Magnetfeldstärke, Stromdichte und Wirbelstromverluste in Abhängigkeit von Frequenz, Spulengeometrie und Materialparametern
• Räumliche Wärmequellenverteilung – aus den Joulschen Verlusten abgeleitete lokale Wärmeeinbringung als Grundlage der thermischen Analyse
• Stationäre und transiente Wärmeausbreitung – Temperaturverläufe über Zeit und Raum, Abkühlverhalten, thermische Gradienten und Hotspots
• Einfluss der Umgebung – Wärmeleitung in angrenzende Bauteile, Strahlung und Konvektion an Oberflächen werden vollständig berücksichtigt
• Materialseitige Nichtlinearitäten – temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit werden korrekt abgebildet

Gekoppelte Multiphysik-Simulation: Elmer + OpenFOAM in InsightCAE

Die physikalische Besonderheit der induktiven Heizung liegt in der engen Kopplung von Elektromagnetik und Wärmetransport. Beide Domänen beeinflussen sich gegenseitig: Das elektromagnetische Feld bestimmt die Wärmequellen, während die Temperatur die materialabhängigen elektromagnetischen Eigenschaften verändert. Diese bidirektionale Kopplung erfordert spezialisierte Simulationswerkzeuge.

• Elmer (FEM) – löst die Maxwell-Gleichungen für die elektromagnetische Feldsimulation, berechnet Wirbelströme und Joulesche Verlustleistung im Bauteil und in der Umgebung
• OpenFOAM (FVM) – übernimmt die Wärmetransportberechnung, bildet stationäre und transiente Temperaturfelder ab und berücksichtigt Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung
• InsightCAE – unsere eigene Simulationsumgebung koordiniert den Datenaustausch zwischen beiden Solvern, verwaltet die Kopplungsschritte und stellt eine durchgängige Workflow-Umgebung von der Geometrieaufbereitung bis zur Ergebnisauswertung bereit

2D- und 3D-Simulation – Materialien und Geometrien

Je nach Komplexität der Aufgabenstellung setzen wir auf rotationssymmetrische 2D-Modelle für schnelle Parameterstudien oder vollständige 3D-Modelle für geometrisch komplexe Bauteile und asymmetrische Spulenanordnungen. Simuliert werden Bauteile aus:

• Stählen und Sonderstählen – ferromagnetisch und austenitisch, mit und ohne Phasenumwandlung
• Aluminium- und Kupferlegierungen – hohe elektrische Leitfähigkeit, geringe Eindringtiefe bei hohen Frequenzen
• Titanbasislegierungen – relevant für Luft- und Raumfahrt sowie Medizintechnik
• Verbundwerkstoffen und Mehrschichtsystemen – z. B. beschichtete Bauteile oder eingegossene Einlegeteile

Typische Anwendungsfälle der Induktionsheizungssimulation

Die Simulation induktiver Heizvorgänge ist in einer Vielzahl von Prozessen und Branchen von entscheidender Bedeutung:

• Induktionshärten – Vorhersage der Einhärtetiefe, Temperaturprofile und Abschreckverhalten für Zahnräder, Wellen und Lagerringe
• Induktionslöten und -schweißen – Optimierung der Wärmeeinbringung für reproduzierbare Fügeverbindungen
• Schrumpfverbindungen – thermisch kontrolliertes Aufweiten von Naben und Ringen zur Montage von Pressverbänden
• Erwärmung vor dem Umformen – Schmieden, Fließpressen oder Warmbiegen mit gezielter lokaler Vorwärmung
• Kunststoffverarbeitung und Verbundwerkstoffe – induktives Erwärmen von Einlegeteilen oder Werkzeugen
• Prüf- und Messtechnik – zerstörungsfreie Prüfung mittels Wirbelstromverfahren (Eddy Current Testing)

Vorteile der numerischen Simulation gegenüber rein experimentellen Ansätzen

• Visualisierung innerer Temperaturfelder, die messtechnisch nicht oder nur mit hohem Aufwand zugänglich sind
• Systematische Variation von Spulengeometrie, Frequenz, Leistung und Bauteilposition ohne physische Prototypen
• Frühzeitige Identifikation von Überhitzungszonen, unzureichender Eindringtiefe oder ungleichmäßiger Erwärmung
• Verkürzung von Entwicklungszeiten und Reduktion von Ausschuss und Nacharbeit in der Serienproduktion
• Absicherung und Dokumentation von Prozessparametern für Qualitätsmanagement und Zertifizierungen

Induktionsheizung simulieren lassen – jetzt anfragen

Sie möchten einen Induktionsheizprozess optimieren, ein neues Verfahren auslegen oder ein bestehendes Bauteil auf thermische Belastbarkeit prüfen? Sprechen Sie uns an – wir analysieren Ihre Aufgabenstellung und entwickeln ein maßgeschneidertes Simulationsmodell mit Elmer, OpenFOAM und InsightCAE.