Elektromagnetische und inkrementelle Umformung Individualisierte Blechteile wirtschaftlich umformen

Autor / Redakteur: Maik Linnemann, Christian Scheffler und Petr Kurka / Stéphane Itasse

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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Der Aufbau zur inkrementellen elektromagnetischen Umformung mit Werkzeug (oben) und Stromspulen (unten).
Der Aufbau zur inkrementellen elektromagnetischen Umformung mit Werkzeug (oben) und Stromspulen (unten).
(Bild: Fraunhofer-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).

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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