Elektromagnetische und inkrementelle Umformung Individualisierte Blechteile wirtschaftlich umformen

Sinkende Losgrößen fordern Fertigungsunternehmen bei der Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile immer stärker heraus. Insbesondere bei individuell gefertigten Bauteilen sind neue Verfahren gefordert.

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Knuth Werkzeugmaschinen GmbH

ACE Stoßdämpfer GmbH

Weil Technology GmbH

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Ein Beispiel hierfür ist die Restaurierung von Oldtimern. Für diese Autos, die älter als 30 Jahre sind, stehen kaum noch Ersatzteile zur Verfügung, was bereits bei kleinen Unfällen zu unangenehmen Folgen für den Fahrzeughalter führen kann. Insbesondere Kratzer und Dellen an Teilen im Sichtbereich stören die Optik des Fahrzeugs. Abhilfe kann ein individuell gefertigtes Bauteil schaffen, welches exakt an die Anforderungen des Oldtimers angepasst ist.

Elektromagnetische Umformung für individuelle Aufgaben geeignet

Die Anwendung konventioneller Umformtechniken wie Tiefziehen oder Streckziehen ist in solchen Fällen aufgrund der hohen Kosten für Werkzeuge und manuelle Nacharbeiten unattraktiv, da hier bereits leichte Variationen einen großen Kosten- und Zeitaufwand erzeugen. Auch im aktuellen Automobilbau erfüllen diese Techniken aufgrund der zunehmenden Individualisierung der Fahrzeuge [1] kaum noch die Anforderungen. Dementsprechend werden neuartige Fertigungsverfahren benötigt. Hier bietet sich das Verfahren der elektromagnetischen Umformung an. Da es nur ein geometrisch an die Umformaufgabe angepasstes Werkzeug benötigt, verringern sich die Kosten und der Aufwand für die Fertigung und Einarbeitung enorm.

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Die elektromagnetische Umformung zählt zu den Hochgeschwindigkeitsumformverfahren. Sie nutzt die Energiedichte gepulster Magnetfelder für eine berührungslose Kraftaufbringung. Dazu wird eine Kondensatorbatterie entladen, wodurch ein gedämpfter sinusförmiger Strom über einen Induktor fließt. Das so erzeugte Magnetfeld induziert in einem in direkter Nähe befindlichen Werkstück aus einem leitfähigen Werkstoff einen entgegengesetzt gerichteten Wirbelstrom. Es kommt zu Wechselwirkungen zwischen Magnetfeld und Wirbelstrom, welche zu elektromagnetischen Kräften und damit zur Umformung des Halbzeuges führen (Bild 2 oben rechts). Eine gezielte Formgebung in der elektromagnetischen Blechumformung erfolgt durch Kontakt mit einer entsprechenden Matrize oder Patrize [2].

Kombination von inkrementeller und elektromagnetischer Umformung

Bisher gibt es jedoch noch keine serienreifen Anwendungen, die eine Umformung großflächiger Bauteile ermöglichen. Die benötigte Energie und die Belastung der Komponenten bei der Umformung großer Bauteile in einem einzigen Schritt stellen die Hauptursache für dieses Problem dar [3]. Abhilfe soll hier die innerhalb des deutsch-tschechischen Projektes „Sequentiel Electromagnetic Forming – Self“ betrachtete Kombination der elektromagnetischen mit der inkrementellen Umformung schaffen (Bild 2).

In der Gruppe der inkrementellen Blechumformverfahren [4] sind wichtige Technologien für die Fertigung von Prototypen und individualisierten Bauteilen zusammengefasst. Dabei wird die Umformung in der Regel mithilfe eines Dorns, welcher sich auf einer vorgegebenen Bahn über das Blech bewegt, durchgeführt. Der größte Nachteil dieser Technik ist jedoch die hohe Fertigungsdauer. Infolge der jeweils nur punktuell aufgebrachten Kraft treten gerade bei großen Werkstücken Prozesszeiten von vielen Stunden pro Bauteil auf [5].

Durch eine Kombination von elektromagnetischer Umformung und inkrementeller Umformung ergänzen sich die jeweiligen Vorteile, sodass die Prozessgrenzen erweitert werden. Diese Verfahrenskombination erfolgt derart, dass der Gesamtprozess aus einzelnen Inkrementen besteht, bei denen jeweils ein Werkstückbereich, der in etwa der Abmessung der Werkzeugspule entspricht, elektromagnetisch umgeformt wird. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt eine Verschiebung der Werkzeugspule relativ zu Werkstück und Matrize (Bild 2).

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