Berührungslos in Form

Berührungsloses Hochgeschwindigkeitsumformen mit elektromagnetischer Energie. Die elektromagnetische Umformung gilt als Hochgeschwindigkeitsumformverfahren, bei dem die Energiedichte eines...

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Die elektromagnetische Umformung gilt als Hochgeschwindigkeitsumformverfahren, bei dem die Energiedichte eines starken, impulsförmigen Magnetfeldes genutzt wird, um elektrisch gut leitfähige Werkstücke, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, innerhalb weniger Mikrosekunden umzuformen. Bei diesem Verfahren sind demnach keine starren Massen und kein Wirkmedium zur Einbringung der für die Umformung verantwortlichen Kräfte erforderlich, das Verfahrensprinzip würde auch im absoluten Vakuum funktionieren.Energiedichte des Magnetfelds entspricht dem UmformdruckZur Erzeugung des Magnetfeldes dient ein Stoßstromgenerator, der über eine als Werkzeug dienende Arbeitsspule „schlagartig“ entladen wird. Zwischen der Werkzeugspule und einem benachbarten, elektrisch gut leitfähigen Werkstück wird dadurch für mehrere 10 bis 100 µs ein starkes Magnetfeld von mehreren 10 Tesla aufgebaut. Die Energiedichte des Magnetfeldes entspricht einem Druck, der sowohl auf das Werkstück als auch auf die Spule wirkt und einige 100 MPa betragen kann. Wenn durch diesen Druck die Fließgrenze des Werkstoffes überschritten wird, erfolgt eine plastische Umformung, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 300 m/s ablaufen kann.Je nach Anordnung von Werkstück und Werkzeugspule werden drei Verfahrensvarianten der elektromagnetischen Umformung unterschieden. Es handelt sich dabei um:- die Kompression rohr- und profilförmiger Werkstücke, wenn diese im Inneren einer Werkzeugspule angeordnet werden,- die Expansion rohr- und profilförmiger Werkstücke, wenn die Werkzeugspule im Inneren des Werkstückes angeordnet wird, und- die Flachumformung von Blechen mit Hilfe einer Flachspule.Obwohl dieses Verfahren bereits seit etwa 45 Jahren bekannt ist und insbesondere in der Zeit von 1960 bis 1973 der Weg vom physikalischen Verfahrensprinzip zum Fertigungsverfahren bereitet wurde, kam es damals nicht zum Einsatz in der industriellen Serienproduktion. Insbesondere die nur eingeschränkte Möglichkeit der Druckerzeugung bei elektrisch schlecht leitfähigen Metallen, wie beispielsweise bei den Stahlwerkstoffen, stellt eine Verfahrensgrenze dar, durch die eine anfängliche Euphorie stark zurückgedrängt wurde.Die Herstellung von Fügeverbindungen mittels Kompression ist dabei derzeit das größte Anwendungsfeld der elektromagnetischen Umformung. Dabei spielt das umformtechnische Fügen rohr- und profilförmiger Strukturbauteile zum Beispiel bei Aluminium-Spaceframe-Konstruktionen eine große Rolle. Die erzielbare Festigkeit sowie die Dichtheit der Verbindung kann extremen Anforderungen, beispielsweise aus dem Aerospace- oder Nukleartechnikbereich, gerecht werden. Gegenüber konventionellen Fügeverfahren wie dem Löten oder dem Schweißen zeichnet sich die Technologie dadurch aus, dass kein Wärmeeintrag in das Werkstück erfolgt. Thermische Belastungen und resultierende Gefügeänderungen im Werkstoff werden so vermieden.Die elektromagnetische Kompression ermöglicht darüber hinaus auch Verbindungen mit nichtmetallischen Werkstoffen, wie etwa faserverstärkten Kunststoffen oder Keramik, da nur der äußere, umzuformende Fügepartner aus einem elektrisch gut leitfähigen Material bestehen muss. Außer dem Potenzial formschlüssiger Verbindungen zeigen auch kraftschlüssige Verbindungen Qualitäten bis in den Bereich der Festigkeit des Ausgangsmaterials. Dies macht das Verfahren besonders für den Verbund mit faserverstärkten Materialien attraktiv. Neue Entwicklungen im Spulenbau gestatten heute auch das Fügen nicht-rotationssymmetrischer Werk-stückquerschnitte sowie geschlossener Rahmenstrukturen mit teilbaren Werkzeugspulen.Außer dem Fügen bestehen weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Kalibrierung von Rohren auf eng tolerierte Durchmesser und in der Kombination mit konventionellen Umformverfahren. Im Bereich der Profilumformung bietet insbesondere die Herstellung von Vorformen für die Innenhochdruckumformung (IHU) mit Hilfe elektromagnetischer Kompression gute Möglichkeiten: Dabei können die Prozessgrenzen der IHU erweitert werden, indem eine lokal komprimierte Vorform benutzt wird, die es gestattet, ein Halbzeug mit größerem Ausgangsdurchmesser einzusetzen. Bei der Erzeugung der entsprechenden Vorform ermöglicht die elektromagnetische Kompression die Herstellung nicht rotationssymmetrischer Querschnittsgeometrien.Im Bereich der Blechumformung zeichnet sich die elektromagnetische Umformung dadurch aus, scharfe Radien und geometrische Details auszuformen, die mit konventionellem Tiefziehen nicht machbar sind. Da die benötigte Energie mit der umzuformenden Fläche stark ansteigt, ist eine Umformung großflächiger Teile ausschließlich mit Hilfe der elektromagnetischen Umformung nicht sinnvoll. Stattdessen würde die Integration der Werkzeugspule zum Beispiel in einen Tiefziehstempel die Möglichkeit bieten, die Vorteile beider Verfahren kombiniert zu nutzen.Voraussetzung für den industriellen Einsatz der elektromagnetischen Umformung ist die gezielte und optimierte Prozessauslegung und -gestaltung, bei der die Anpassung von Werkzeugspule und Anlage an die Umformaufgabe eine wichtige Rolle spielt. Aufgrund des hochdynamischen Werkstückverhaltens ist für diese Auslegung ein Simulationswerkzeug unverzichtbar. Nur mit Hilfe einer gekoppelten elektromagnetischen und strukturmechanischen Analyse können die komplexen Wechselwirkungen Werkstück - Matrize - Werkzeugspule und Umformanlage bei der Prozessoptimierung berücksichtigt werden.Die Umformgeschwindigkeit hängt von der Frequenz abEiner der Prozessparameter für eine Optimierung des Umformergebnisses ist die Frequenz des Spulenstromes: Eine höhere Frequenz bewirkt beispielsweise bei der Rohrkompression eine größere Umformgeschwindigkeit, die bei der Umformung mit einer besseren Rundheit und beim Fügen mit einer höheren Abzugsfestigkeit einhergeht. Eine Einstellung der Frequenz ist über eine Anpassung von Spulen- und Anlageneigenschaften möglich, wird jedoch nach oben hin durch die Kurzschlussfrequenz der Anlage begrenzt, die bei derzeit kommerziell angebotenen Maschinen in der Größenordnung von 10 bis 100 kHz liegt. Weitere wesentliche Anlagenparameter sind die maximal mögliche Ladeenergie sowie die maximal zulässige Stromamplitude.Neue Perspektiven für den industriellen Einsatz der elektromagnetischen Umformung ergeben sich durch neue Entwicklungen im Bereich der Hochleistungsimpulstechnik wie zum Beispiel Hochstromschalter auf Halbleiterbasis.