Gepulste elektromagnetische Felder schneiden hochfeste Bleche

Gepulste elektromagnetische Felder bieten bei hinreichender Feldstärke die Möglichkeit, metallische Bauteile gezielt umzuformen. Das Verfahren wird industriell zur Umformung von Rohren und Profilen durch Kompression oder Expansion herangezogen.

Der industrielle Hauptanwendungsbereich besteht jedoch im form- oder auch stoffschlüssigen Fügen von Profilen. Darüber hinaus ermöglicht die elektromagnetische Pulsformtechnologie (EMPT) auch das Umformen und Kalibrieren flächiger Bauteile aus Blechhalbzeugen.

Schneiden mit gepulsten elektromagnetischen Felder wird schon angewandt

Aufgrund des hohen Verfahrenspotenzials zur Haupt- und Nebenformgebung sowie zur Kalibrierung von Karosserieteilen wird die EMPT am Fraunhofer-IWU neben der Gasgeneratortechnik und dem adiabatischen Trennen als Technologie für das Umformen und Schneiden mit hohen Geschwindigkeiten erfolgreich angewandt und weiterentwickelt.

Hintergrund der Untersuchungen in dem von der Sächsischen Aufbaubank unterstützten Gemeinschaftsvorhaben „Trennen und Fügen höchstfester Stähle“ ist die Evaluierung alternativer Technologien zum Lochen und Beschneiden von Strukturbauteilen aus formgehärteten Blechen, wie sie beispielsweise im VW-Konzern aktuell für B-Säulen im Modell Passat verwendet werden. Bei Einsatz mechanischer Werkzeuge zum Hartbeschnitt lassen sich derzeit noch keine zufriedenstellenden Standmengen erzielen, so dass momentan das Laserschneiden praktiziert wird.

Mit dem magnetischen Druck werden die Bauteile beschnitten

Die elektromagnetischen Felder werden mit Hilfe einer geeigneten Spule gezielt auf den umzuformenden Werkstückbereich aufgebracht. Die hierzu notwendigen Ströme liegen im Bereich zwischen 100 und 2000 kA und werden von einem sogenannten Pulsgenerator aufgebracht. Dieser besteht im Prinzip aus einer Kondensatorbatterie, einer Ladeeinrichtung und Hochstromschaltern.

Diese als Pulsgenerator bezeichnete Komponentenkonstellation wird mit einer entsprechenden Last in Form einer Spule verbunden. Beim Schließen der Schalter entladen sich innerhalb weniger Mikrosekunden die Kondensatoren über diese Spule, so dass ein hoher, gepulster Strom fließt. Die Schalter schließen einen sogenannten elektrischen Schwingkreis.

Spule erzeugt magnetische Energie zum Blechschneiden

Die in den Kondensatoren gespeicherte Energie wird in der Spule in magnetische Energie gewandelt. Die Induktivität der Spule – das mechanische Analogon wäre eine Massenträgheit – treibt den Entladestrom auch noch weiter, wenn die Kondensatorspannung auf Null gefallen ist. Somit wird der Kondensator mit umgekehrtem Vorzeichen wieder aufgeladen.

Der beschriebene Vorgang führt zu einem sinusförmigen Stromfluss mit wechselndem Vorzeichen, der durch die ohmschen Widerstände des EMPT-Systems gedämpft wird. Die Entladefrequenz liegt im Bereich einiger 10 kHz.

Ströme zum Blechschneiden mit herkömmlichem Netzanschluss realisierbar

Das Aufladen der Kondensatoren geschieht typischerweise innerhalb eines Zeitraums von zirka 5 s. Die hierzu notwendigen Ströme sind recht gering und können von einem üblichen Netzanschluss mit 380V/32A aufgebracht werden.

Die Arbeitspule induziert in das Werkstück einen Stromfluss, der dem in der Spule gegenläufig ist. Da sich gegenläufige Ströme abstoßen, entsteht zwischen Spule und Werkstück ein magnetischer Druck, der im Bereich bis zu einigen 100 N/mm² liegen kann.

Festigkeit der Spule begrenzt magnetischen Druck beim Blechschneiden

Die Obergrenze des magnetischen Drucks ist durch den maximalen vom Pulsgenerator bereitgestellten Entladestrom, der Windungsanzahl der Spule sowie deren geometrischen Abmessungen abhängig. Die begrenzende Größe ist jedoch vor allem die Festigkeit der Spule, denn auf diese wirkt eine Last, die mindestens dem auf das Werkstück aufgebrachten Druck entspricht.

Für den Vergleich der genannten Hochgeschwindigkeitsprozesse bezüglich der erreichbaren Schnittflächenqualität sowie der Umsetzbarkeit in der Serienfertigung erfolgte die Festlegung von Modellgeometrien zum Lochen und Ausschneiden sowie die Auswahl der Werkstoffe DP 600, TRIP 700 und 22MnB5 im Blechdickenbereich von zirka 2 mm.

Speziell für die Erzeugung einer Lochgeometrie mit einem Durchmesser von 30 mm zeigte sich jedoch schon in der FE-Simulation, dass für den Blechwerkstoff 22MnB5 bereits bei einer Blechdicke von 1,5 mm ein magnetischer Druck von mehr als 500 MPa zu erzeugen ist.

Der erste erfolgreiche Versuch wurde mit einem 0,9 mm-Blech durchgeführt

Hinsichtlich der Auslegung der Versuchsspule für diese Aufgabe wurde deshalb auf die Erfahrungen der PST Products GmbH gesetzt. Als Randbedingungen für einen sicheren Schneidprozess wurde eine Ausgangsblechdicke von 0,9 mm definiert, so dass für das Schneiden ein direkt wirkender Druck von 350 MPa aufzubringen war, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden Standzeit der Spule.

Die Auslegung der Spule hinsichtlich elektromagnetischer Eigenschaften, des magnetischen Drucks sowie der mechanischen Festigkeit erfolgte zunächst auf numerischem Weg. Die Druckverläufe am Werkstück wurden hierbei so eingestellt, dass der maximale Schneiddruck im Bereich des Butzens aufgebracht wird, die Blechplatine aber auch durch einen hinreichen großen magnetischen Druck niedergehalten wird.

Das Werkstück wird zwischen Schneidspule und -matrize positioniert

Entsprechend dem konzipierten Spulenaufbau erfolgte die bauliche Umsetzung der Magnetspule. Zur Reduktion des aufzubringenden Stroms erfolgt der Spulenaufbau mehrwindig. Die ersten Erprobungen waren von Kurzschlüssen im Bereich des Schlitzes am Feldformer geprägt, so dass mehrere Optimierungsschleifen bezüglich der Isolierung sowie der Aufnahme des Stützkernes durchlaufen werden mussten.

Im Rahmen der ersten experimentellen Untersuchungen konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

-Die Spule hält den Beanspruchungen stand (Standzeit mehr als 1000 Pulse).

-Die Lochgeometrie wurde zwar bei Aluminium vollständig geschnitten, bei Stahl trat jedoch aufgrund des geschlitzten Feldformers ein sogenannter Dosendeckeleffekt auf und es verblieb ein ungeschnittener Reststeg.

-USIBOR 1500 ließ sich in gehärtetem Zustand zunächst aufgrund des fehlenden Druckes nicht schneiden.

Zur weiteren Verbesserung der Schneidergebnisse wurde die Magnetspule nochmals dahingehend einer Optimierung unterzogen, dass die untere Spulenwindung durch eine neue, nicht armierte Windung ersetzt wurde. Diese Maßnahme bewirkte jedoch gleichzeitig ein Absinken der mechanischen Stabilität der Spule, das heißt, mittlere magnetische Drücke über 300 N/mm² waren damit nicht mehr zulässig.

Andererseits führten die neue untere Spulenwindung sowie eine optimal auf die Spule abgestimmte Anschlusstechnik zu einer Senkung der Induktivität um etwa 1/3 und gewährleisteten somit einen höheren Maximalstrom, der zuvor durch die hohe Induktivität der zu Beginn der Untersuchungen genutzten Spulenkonfiguration begrenzt war.

Pulsgeneratoren ermöglichen das Schneiden von 22MnB5

Somit konnte mit Hilfe von 10-kV-Pulsgeneratoren der PST Products GmbH ein höherer Entladestrom erzielt und damit erfolgreich das Schneiden des 22MnB5 realisiert werden. Die dafür im Spulenquerschnitt wirkende Energie betrug 19000 J.

Die Vorteile elektromagnetischen Impulse ist der berührungslose Druck

Mittels EMPT geschnittene Bauteile weisen gegenüber stempelgebundenen Schneidprozessen einen recht hohen Kanteneinzug bei nahezu keinem Schnittgrat auf. Als Vorteil des Verfahrens ist vor allem die berührungslose Druckaufbringung zu nennen, das heißt, es entfällt der beim Schneiden hochfester Werkstoffe starken Beanspruchungen und Verschleiß unterliegende Schneidstempel.

Mit Hilfe der elektromagnetischen Pulsformtechnologie (EMPT) ist es möglich, auch hochfeste Stähle des Typs 22MnB5 im pressgehärteten Zustand zu schneiden. Der Schneiddruck wird berührungslos durch die Schneidspule aufgebracht, die aufgebaute Versuchsspule erlaubt Standzeiten von mehr als 1000 Pulsen. Im industriellen Einsatz kann dies durch eine entsprechend großzügigere Dimensionierung jedoch noch signifikant bis zu einer Lebensdauer der Spule von mehr als 2000000 Pulsen gesteigert werden.

Das Schneiden von höchstfesten Blechwerkstoffen ist nachgewiesen

Die Entscheidung für die Anwendung der elektromagnetischen Impulsformtechnologie für das Schneiden hoch- und höchstfester Blechwerkstoffe muss neben der Betrachtung der Gesamtprozesskette und somit wirtschaftlichen Aspekten letztlich entsprechend der geforderten Bauteilfunktionalität getroffen werden. Die Anwendbarkeit dieser Technologie wurde im Rahmen des Vorhabens erfolgreich nachgewiesen.

Dr.-Ing. Verena Kräusel, Leiterin der Abteilung Blechbearbeitung am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz, Dr.-Ing. Ralph Schäfer, Forschung und Entwicklung, PST Products GmbH in Alzenau und Dr. Lars Engelbrecht, Technologieplanung und -entwicklung, Volkswagen AG in Wolfsburg.