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Laser/Induktion/Konduktion

Lokale Erwärmung macht hochfeste Bleche biegsam

| Autor / Redakteur: Florian Schmidt et al. / Stéphane Itasse

Elektrische Widerstandserwärmung vor dem Scherschneiden auf dem Grundlagenprüfstand.
Elektrische Widerstandserwärmung vor dem Scherschneiden auf dem Grundlagenprüfstand. (Bild: Fraunhofer-IPT)

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Die zunehmende Integration neuer Funktionen in Blechbauteile, die zudem immer öfter aus hochfesten Stählen bestehen, veranlasst die Blech bearbeitende Industrie, nach neuen Wegen zu suchen. Durch lokale Erwärmung lassen sich heute selbst Werkstoffe mit Festigkeiten über 1500 MPa mit konventionellen Verfahren bearbeiten.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat deshalb für die thermisch unterstützte Blechbearbeitung unterschiedliche Erwärmungsmethoden entwickelt: Neben dem Laserstrahl setzen die Aachener Forscher auch auf die Induktion und die Erwärmung mittels elektrischem Widerstand, der Konduktion. Einen Grundlagenprüfstand kann das Institut mit allen drei Erwärmungsverfahren ausrüsten. So kann der Blechwerkstoff vor der Bearbeitung lokal erwärmt und durch Entfestigung besser umgeformt oder schergeschnitten werden.

Durch die verschiedenen Erwärmungsprinzipien lassen sich die Anforderungen zu unterschiedlich komplexen Geometrien, Blechwerkstoffen und -dicken bedienen und Nachrüstmodule in Folgeverbundwerkzeuge integrieren. Auf diese Weise können die Schnittqualität oder der fehlerfreie Umformgrad gesteigert werden. Beispielsweise erhöht sich das Aufweitverhältnis beim Kragenziehen von 4 mm dickem Stahl S700 um den Faktor 2,5. Auch bei Federstählen (1.4310) oder Mehrphasenstählen wie DP1000 sind ähnliche Steigerungen des Umformgrads möglich. Glattschnittanteile über 90 % beim Scherschneiden und lokal gehärtete Schnittkanten lassen sich ebenfalls erzielen.

Konduktion und Induktion bieten neue Möglichkeiten für die Blechbearbeitung

Seit mehr als zehn Jahren arbeiten die Forscher des Fraunhofer-IPT an der lokalen Erwärmung durch Laserstrahlung. Der flexible Laserstrahl eignet sich besonders gut für die lokale Erwärmung komplexer und filigraner Geometrien. Da die Laserstrahlung an der Oberfläche des Bauteils absorbiert wird, ist die wirtschaftlich bearbeitbare Blechstärke begrenzt. Die Erwärmung großer Bauteilvolumina erfordert hohe Energien und damit eine entsprechende Laserleistung, da die Erwärmungsdauer meist durch den Pressentakt vorgegeben ist. Laserleistungen von mehr als 10 kW führen allerdings zu hohen Investitionskosten.

Das Fraunhofer-IPT entwickelt deshalb für große Flächen und dicke Bleche neue Verfahren zur Erwärmung mittels Induktion und Konduktion. Im Gegensatz zur Lasertechnik sind hier Leistungen über 40 kW zu vergleichsweise geringen Investitionskosten pro Kilowatt verfügbar.

Bei der Erwärmung mittels Konduktion wird der zu bearbeitende Blechbereich durch Stromfluss erwärmt. Dazu kontaktieren Elektroden das Blech beidseitig und integrieren es so in einen Stromkreis. Im neuen Erwärmungsmodul, das im Forschungsprojekt „Kontakt“ entwickelt wurde, lässt sich eine elektrische Maximalleistung von 40 kW bei einer Stromstärke bis zu 7000 A erzielen. Erste Ergebnisse zeigen eine Erhöhung des Glattschnittanteils beim Scherschneiden von 4 mm dickem 22MnB5-Stahl auf circa 90 %, bei einem Schneidspalt von 10 % der Blechdicke.

Um Serienprozesse mit der elektrischen Widerstandserwärmung auszustatten, entwickelt das Projektkonsortium ein Erwärmungsmodul für Folgeverbundwerkzeuge, bei dem sich die Temperatur genau einstellen und die Kontaktierung des Blechs sicher reproduzieren lässt. Gleichzeitig sollen Prozessdaten wie Temperatur, Erwärmungsdauer oder die Kraft am Aktivteil erfasst und ausgewertet werden. Zur Visualisierung von Prozessgrößen wird im Forschungsprojekt außerdem eine Software entwickelt. Das Fraunhofer-IPT untersucht neben dem Scherschneiden auch das Kragenziehen. Erste Ergebnisse der Prozessentwicklung im Folgeverbundwerkzeug sollen Ende 2018 zur Verfügung stehen.

Induktionserwärmung eignet sich für Bleche bis 10 mm Dicke

Die induktive Erwärmung ihrerseits erzeugt anhand elektromagnetischer Wechselfelder Ströme im Material, die das Blech lokal erwärmen. Die Haupteinflussfaktoren sind hier neben dem Werkstoff die Leistung und Frequenz. Daher muss die Induktionsfrequenz an die Geometrie des Induktors, die Blechdicke und den Werkstoff angepasst werden, um die Eindringtiefe in das Material zu steuern. Es können Blechstärken von 1 bis 10 mm erwärmt werden. Zur Prozessentwicklung setzt das Fraunhofer-IPT einen Hochfrequenzgenerator mit einer Leistung von 50 kW ein und kann so Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz einstellen. Durch die hohe Leistung ist die Erwärmungsdauer selbst bei großen Geometrien gering.

In ersten Versuchen auf dem Grundlagenprüfstand ließen sich Zahnräder mit einer Stärke von 4 mm (22MnB5) und einem Durchmesser von 30 mm schneiden. Die lokale Erwärmung ermöglicht einen nahezu vollständigen Glattschnitt und eine zusätzliche Härtung der Zahnflanken in nur einem Prozessschritt. Die Erwärmungsdauer beträgt nur 0,7 s. Das Fraunhofer-IPT baut nun ein Modul für die Integration in ein Folgeverbundwerkzeug auf, das Ende 2018 getestet wird. Die Induktionserwärmung ist besonders für Geometrien geeignet, die größer als 15 mm sind.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT auf der Euroblech 2018: Halle 11, Stand A25

* Florian Schmidt ist Gruppenleiter Lasersystemtechnik am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in 52074 Aachen, Henning Janssen ist dort Abteilungsleiter Faserverbund- und Lasersystemtechnik, Clemens Müller und Markus Eckert sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter

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