Gepulste elektromagnetische Felder schneiden hochfeste Bleche

Anbieter zum Thema

ACE Stoßdämpfer GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

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 [2, 4, 5]. 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. 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 [2]. Die Entladefrequenz liegt im Bereich einiger 10 kHz.

Das Aufladen der Kondensatoren geschieht typischerweise innerhalb eines Zeitraums von zirka 5 s [4, 5]. Die hierzu notwendigen Ströme sind recht gering und können von einem üblichen Netzanschluss mit 380 V/32 A aufgebracht werden [5]. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau eines EMPT-Systems bestehend aus Pulsgenerator und Spule, sowie einen Entladestromverlauf.

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. Die Obergrenze des magnetischen Drucks ist durch den maximalen vom Pulsgenerator bereitgestellten Entladestrom, der Windungsanzahl der Spule sowie deren geo-metrischen 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.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

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.

(ID:330652)