Elektromagnetische und inkrementelle Umformung

Individualisierte Blechteile wirtschaftlich umformen

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Um diese Kombination zu bewerkstelligen, wurde am Fraunhofer-IWU ein Aufbau entwickelt (Bild 3). Das Blech ist mit einem Spannrahmen zwischen Werkzeugspule und Matrize fixiert. Zwei orthogonal aufeinander stehende Linearachsen dienen zur Bewegung der Oberkonstruktion. Die für die Umformung erforderlichen Kräfte werden über die Spule auf das Werkstück aufgebracht.

Umformung mit spiralförmiger Kupferspule und Oberwerkzeug

Bei der Spulendimensionierung ist es wichtig, dass diese möglichst universell einsetzbar ist, wodurch hohe Folgekosten für teure Werkzeuganpassungen eingespart werden. Aus dieser Anforderung resultiert ein möglichst kleiner Durchmesser. Eine Limitierung erfolgt jedoch durch die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Windungen.

Anhand eines Anwendungsbeispiels aus der Möbelindustrie wurden numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Machbarkeit des Verfahrens nachzuweisen. Die numerischen Betrachtungen wurden mit einer gekoppelten Simulation in LS-Dyna durchgeführt. Dadurch ist es möglich, die Wechselwirkungen zwischen dem elektromagnetischen und dem strukturmechanischen Feld genau zu berücksichtigen. Ein exemplarisches Ergebnis der numerischen Untersuchungen ist in Bild 4 dargestellt.

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Die experimentelle Verifikation der numerischen Ergebnisse erfolgte durch Umformung der Aluminiumhalbzeuge mit den gleichen Parametern. Das Resultat ist in Bild 4 dem entsprechenden Simulationsergebnis gegenübergestellt. Es ist eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den numerischen Betrachtungen und der experimentellen Untersuchung ersichtlich. Dies zeigt, dass eine simulative Auslegung der Werkzeuge möglich ist, wodurch erhöhte Kosten für Werkzeuganpassungen oder Neukonstruktionen verhindert werden können.

Hohe Bauteilqualität bereits bei niedrigem Energieeinsatz

Da die numerische Simulation aufgrund der Kopplung und der vielen Randbedingungen sehr zeitaufwendig ist, bietet sich für die weiteren Untersuchungen eine experimentelle Parametervariation zur Verbesserung des Umformergebnisses an. Hier hat sich gezeigt, dass hohe Energien deutliche Abdrücke der Spulenwindungen auf dem Halbzeug verursachen, die sich in folgenden Umformschritten nicht ohne Weiteres wieder einebnen lassen. Im Gegensatz dazu lassen sich mit niedrigeren Energien wesentlich gleichmäßigere Ergebnisse erzielen. Dies hängt damit zusammen, dass die magnetische Feldstärke und damit die wirksamen Kräfte unterhalb der Spulenwindungen höher sind als im isolierten Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Windungen (Bild 5).

Ebenso hat die Relativverschiebung von Werkzeugspule und Bauteil zwischen zwei benachbarten Umformschritten einen Einfluss auf das Umformergebnis. Bei großen Relativverschiebungen kommt es zu einer klar erkennbaren Welligkeit im Randbereich der Inkremente. Der Grund dafür ist, dass sich das Magnetfeld nur innerhalb einer begrenzten Wirkzone unterhalb der Spiralspule ausbildet. Bedingt durch die geometrische Form, entsteht so eine wirkfreie Zone zwischen den einzelnen Inkrementen, in der keine signifikante Umformung erfolgt (Bild 6). Diese fällt bei kleineren Verschiebungen geringer aus, wodurch die Welligkeit zurückgeht.

Kompromiss zwischen Prozesszeit und Fertigungsqualität notwendig

Durch Anpassung der Parameter lassen sich diese Effekte verringern und das Umformergebnis deutlich verbessern. Dies geht einher mit einer Erhöhung der Prozesszeit, da mehr Inkremente für die Fertigung eines Bauteils erforderlich werden. In diesem Fall muss ein Kompromiss zwischen Prozesszeit und Fertigungsgenauigkeit gefunden werden.

Dennoch lassen sich mithilfe der inkrementellen elektromagnetischen Umformung infolge der flächigen anstelle der punktuellen Kraftaufbringung geringere Prozesszeiten erreichen als bei der inkrementellen Umformung mit einem Dorn. Somit ist diese Verfahrenskombination sehr gut für die wirtschaftliche Herstellung individualisierter Blechbauteile geeignet. Für das Verfahren konnte bereits die technische Machbarkeit anhand eines wiederholgenau ausgeformten Bauteils nachgewiesen und eine gute Vergleichbarkeit zwischen Simulation und Experiment gezeigt werden, welche zukünftig für eine detailliertere Prozessanalyse eingesetzt werden soll. Hier ist es unter anderem notwendig, die Bahnplanungen detaillierter zu betrachten und den Werkstofffluss genauer zu bestimmen.

Literatur

  • [1] Alders, Klaus: „Komplexitäts- und Variantenmanagement der Audi AG“, in Lindemann, Udo; Reichwald, Ralf; Zäh, Michael (Hrsg.): Individualisierte Produkte – Komplexität beherrschen in Entwicklung und Produktion, Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2006, S. 221ff.
  • [2] Psyk, Verena; Risch, Désirée; Kinsey, Brad Lee; Tekkaya, Erman; Kleiner, Matthias: „„Electromagnetic Forming – a Review”, in: Journal of Materials Processing Technology, Bd. 211, 2011, S. 787-829.
  • [3] Dicke, Wolfgang: „Zur Berechnung von optimalen Werkzeugen für das elektromagnetische Umformen“, Universität Hannover, Hannover, 1968.
  • [4] Emmens, Wilko; Sebastiani, Gerd; van den Boogaard, Ton: „The technology of Incremental Sheet Forming—A brief review of the history“, in: Journal of Materials Processing Technology, Bd. 210, 2010, Nr. 8, S. 981-997.
  • [5] Cerro, Itsasne; Maidagan, Elixabete; Arana, José; Rodriguez, Pedro Pablo: „Theoretical and experimental analysis of the dieless incremental sheet forming process“, in Journal of Material Processing Technology, Bd. 177, 2006, Nr. 1-3, S. 404-408.

* Maik Linnemann, Christian Scheffler und Petr Kurka sind Wissenschaftler im Bereich Elektromagnetumformung und Werkzeugkonzepte am Fraunhofer-IWU in 09126 Chemnitz

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