Dr.-Ing. Ralph Schäfer, Dr.-Ing. Pablo Pasquale und Dipl.-Ing. IWE Stephan Kallee, PSTproducts GmbH, Alzenau, http://www.pstproducts.com
Die elektromagnetische Puls Technologie (EMPT) ist ein berührungsloses Fertigungsverfahren zum Schweißen, Fügen, Umformen und Schneiden vom Metallen.
Bei diesem Verfahren werden elektromagnetische Spulen verwendet, durch die kurzzeitig ein Strom mit sehr hoher Stromstärke fließt, der von einem Pulsgenerator bereitgestellt wird. Durch elektromagnetische Kräfte kann z.B. der Durchmesser von Rohren durch Kompression oder Aufweitung geändert werden. Da in Rohren kurzzeitig ein Wirbelstrom induziert wird, können insbesondere auch nicht-magnetische Metalle wie Aluminium verarbeitet werden. Das Verfahren geht so schnell, dass man damit wie beim Sprengplattieren auch Schweißungen durchführen kann.
Mithilfe der EMPT sind Füge- und Umformoperationen von Metallen durchführbar, insbesondere von Aluminium-, Kupfer- und Stahlrohren. Es besteht die Möglichkeit, auch nicht rotationssymmetrische Querschnitte zu expandieren oder zu komprimieren. Das Ergebnis kann eine stoff- oder formschlüssige Fügeverbindung oder eine reine Geometrieänderung sein.
Im Folgenden werden die technologischen Möglichkeiten der EMPT, die hierzu notwendige Anlagentechnik sowie die Wirtschaftlichkeit des Prozesses kurz dargestellt. Eine etwas ausführlichere Version dieses Textes mit Bildern findet sich auf folgender Webseite:
http://pstproducts.com/WhitePaper_PSTproducts_Juni2009.pdf
1 Grundlagen der elektromagnetischen Pulstechnologie (EMPT)
Stromdurchflossene Leiter erfahren im Magnetfeld eine Kraft, die nach ihrem Entdecker Lorentzkraft genannt wird. Zudem erzeugen stromdurchflossene Leiter ein magnetisches Feld. Zwei parallele, stromführende Leiter stoßen sich deshalb voneinander ab, wenn die Stromflussrichtung in beiden gegenläufig ist.
Bei einem in einer Spule liegenden Rohr, stellt die Spule sozusagen den einen Leiter dar, das Rohr den zweiten. Sofern die Spule mit Wechselstrom beaufschlagt ist, induziert sie nach der Lenzschen Regel in das Rohr einen jeweils gegenläufigen Stromfluss und die Rohrwand erfährt eine radial nach innen wirkende Kraft. Dadurch ändert das Rohr schlagartig seinen Durchmesser, und kann auf ein kleineres Rohr oder auf ein Innenteil aufgeschrumpft werden.
2 EMPT-Anlagentechnik
Die EMPT-Anlagentechnik besteht aus einer Spule, gegebenenfalls einem Feldformer und dem zur Bereitstellung der hohen Ströme notwendigen Pulsgenerator:
2.1 Spulen und Feldformer
Spulen und Feldformer dienen zum Aufbringen des magnetischen Drucks auf das elektrisch leitfähige Werkstück. Die Spule besteht aus einer oder mehreren Windungen hochfestem und leitfähigen Werkstoffs, meistens einer speziellen Kupfer- oder Aluminiumlegierung. Die Spulenleiterquerschnitte betragen aufgrund der hohen Ströme in der Regel 10 bis mehrere 100 Quadratmillimeter.
Der Feldformer ist mit mindestens einem radialen Schlitz versehen und gegen Spule sowie Werkstück elektrisch isoliert. Feldformer und Spule weisen an ihrer Wirkfuge die gleiche Länge auf. Die Spule induziert im Außenmantel des Feldformers einen Strom, der aufgrund des radialen Schlitzes auf die Innenbohrung des Feldformers geleitet wird. Der Innenbohrungsdurchmesser entspricht nahezu dem Werkstückdurchmesser. Die Länge der Innenbohrung ist jedoch in der Regel kleiner als die der Spule und bildet somit die so genannte Schneide. Dies bewirkt zweierlei: Zum einen wird das ungleichmäßige magnetische Feld der mehrwindigen Spule homogenisiert, zum anderen die magnetischen Feldlinien auf den Schneidenbereich konzentriert.
Hierdurch ist der auf die Spule wirkende magnetische Druck geringer als der auf das Werkstück lastende. Die Standzeit der Spule ist somit beim Einsatz eines Feldformers erheblich höher als die einer direkt wirkenden Spule und führt zu einer erhöhten Spulenstandzeit und Wirtschaftlichkeit. Moderne Spulen von PSTproducts GmbH sind mit Hilfe numerischer Methoden so ausgelegt, dass eine Spulenstandzeit von bis zu 2.000.000 Pulsen gewährleistet ist.
Der Feldformer dient in erster Linie zur Homogenisierung des magnetischen Feldes mehrwindiger Spulen, zur Konzentration der Feldlinien auf den Umformbereich und zur mechanischen Entlastung der Spule. Darüber hinaus kann mit einem anderen Feldformer die Spule mit geringem Aufwand an neue Werkstückdurchmesser oder -geometrien angepasst werden. Ein Feldformerwechsel dauert in der Regel weniger als zwei Minuten. So ist unter Voraussetzung einer entsprechend dimensionierten Spule in Kombination mit einem geeigneten Pulsgenerator die Fertigung verschiedenster Bauteile mit geringem Werkzeugaufwand möglich. Jedoch ist ein Feldformer nicht zwingend notwendig, er dient bei einwindigen Spulen in erster Linie nur zur Erhöhung der Anlagenflexibilität.
2.2 Pulsgenerator
Die zur Umformung metallischer Werkstoffe notwendigen magnetischen Drücke liegen im Bereich bis zu einigen 100 N/mm². Zur Erzeugung dieser Drücke ist es erforderlich, gepulste Ströme im Bereich von 100 kA bis weit über 1000 kA bereitzustellen. Hierzu dient der so genannte Pulsgenerator. Dieser besteht aus einer Kondensatorbatterie, einer Kondensatorladeeinrichtung und einem Hochstromschalter. Der Pulsgenerator bildet mit der Arbeitsspule des EMPT Systems einen Schwingkreis.
http://www.pstproducts.com/maschinensysteme.htm
3 Arbeitsablauf
Der Arbeitsablauf lässt sich wie folgt beschreiben: Nachdem das Werkstück in der Spule positioniert ist, wird bei geöffnetem Hochstromschalter der Ladeschalter geschlossen. Der Schwingkreis ist somit zunächst unterbrochen, die Kondensatorspannung nähert sich im Zeitraum von normalerweise weniger als 8 Sekunden der gewählten Ladespannung. Sobald die Ladespannung erreicht ist, wird der Ladeschalter geöffnet und der Hochstromschalter geschlossen. Die im Kondensator gespeicherte Energie wird nun freigesetzt und bedingt einen sinusförmigen Stromverlauf in der Arbeitsspule, der jedoch nach wenigen Schwingungszyklen abgeklungen ist. Die Entladefrequenz industriell eingesetzter EMPT Anlagen liegt im Bereich zwischen 6 und 30 kHz. EMPT Anlagen der Firma PSTproducts GmbH zeichnen sich durch eine optimierte Standzeit, hohe Entladeströme und geringe Taktzeiten sowie moderne Prozessüberwachungs- und Steuerungsalgorithmen aus. Die Lebensdauer der Kondensatoren liegt bei mehr als 2 Millionen Pulse, Wartungsintervalle liegen bei ca. 500.000 Pulsen, die Entladeströme, je nach Modell, zwischen 100 kA und 2000 kA.
Alleinstellungsmerkmal der PSTproducts Pulsgeneratoren ist die 100% Prozessüberwachung. Hierbei wird der Stromverlauf eines jeden Pulses analysiert und gespeichert. Darauf basierende Regelalgorithmen gewährleisten, dass sich der Entladestrom auch bei Änderung der Umgebungsbedingungen innerhalb eines spezifizierten Prozessfensters bewegt. Die Steuerungstechnik der Firma PSTproducts GmbH erlaubt somit auch die Einbindung dieser Pulsgeneratoren in vollautomatisierte Produktionslinien.
4 Anwendungsbeispiele
Die EMPT wird industriell wie folgt zum Umformen, Fügen und Schweißen eingesetzt:
4.1 Umformen
Beim Umformen besteht die Möglichkeit, rohrförmige Strukturen zu komprimieren bzw. zu expandieren. Freiumformungen sind generell möglich, jedoch ist zur Gewährleistung geometrischer Toleranzen sowohl bei Kompression als auch bei Expansion der Einsatz von Dornen bzw. Gesenken notwendig. Oftmals ist es erforderlich, diese Stützelemente teilbar vorzusehen, so dass eine Ausformung des gefertigten Bauteils möglich ist.
Die Anwendungsmöglichkeiten des EMPT-Umformens beschränken sich nicht nur auf tubulare Produkte. Auch das Umformen ebener Strukturen (Bleche) ist durch die Auslegung geeigneter Spulen möglich.
4.2 Formschlüssiges Fügen
Formschlüssiges Fügen mit Hilfe der EMPT repräsentiert eine sowohl technologische als auch wirtschaftliche Alternative zu mechanischen Crimp-Prozessen. Aufgrund der berührungslosen Druckaufbringung bei der EMPT werden Werkstücke über den gesamten Umfang gleichmäßig umgeformt. Auch koaxiale Positionierungsfehler der Fügepartner können beim EMPT-Fügen ausgeglichen werden. Darüber hinaus, weist die EMPT eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit und eine sehr gute Regelungsmöglichkeit des magnetischen Druckes auf. Da keine Hilfsstoffe notwendig sind, kann das EMPT Fügen auch unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden zum Beispiel für mit Hilfe der Pulsumformtechnik verschlossene Medikamentenflaschen aus Glas.
Das Fügen mit Hilfe elektromagnetischer Puls Technologie beschränkt sich nicht nur auf Strukturen niedriger Festigkeit. Vielmehr ist auch die Umformung - und somit auch das Fügen - höherfester Stahlbauteile möglich.
Formschlüssiges Fügen elektrischer Kontakte mittels der EMPT weist gegenüber mechanischen Verfahren eine höhere und gleichmäßigere Verpressung auf. Die elektrischen Übergangswiderstände EMPT gecrimpter Kabelanschlüsse sind teilweise 50% niedriger als die durch mechanische Crimpen hergestellter Anschlüsse. Formschlüssiges Fügen ist in der industriellen Anwendung weit verbreitet. Unter Zuhilfenahme von Dichtelementen kann hierbei auch eine Gasdichtheit geschlossener Behälter gewährleistet werden.
4.3 Stoffschlüssiges Fügen (= Schweißen)
In einigen Fällen ist es wünschenswert, stoffschlüssige Fügungen, d.h. Schweißungen, durchzuführen, z.B. wenn das Produkt besonderen Anforderungen hinsichtlich Belastung oder Dichtheit unterliegt. Mit Hilfe der EMPT ist es möglich, stoffschlüssige Verbindungen metallischer Werkstoffe zu fertigen. Dies geschieht ohne Aufbringung thermischer Lasten und somit auch ohne Gefügeänderungen.
Das Verfahren beruht - wie auch das damit verwandte Sprengschweißen - darauf, dass die Atome zweier metallisch reiner Kontaktpartner unter hohem Druck einander genähert werden, bis sich ein metallischer Verbund durch Elektronenaustausch aufbaut. Während des Prozesses „rollt“ der druckbelastete Kontaktpartner auf dem anderen ab, es schließt sich ein zunächst V-förmiger Spalt.
Im Grund des V-förmigen Spaltes treten Kontaktnormalspannungen in der Größenordung einiger 1000 N/mm² und erhebliche Dehnraten auf. Hierdurch entsteht vor dem Kontaktpunkt eine sich fortlaufend neu bildende Bugwelle in beiden Kontaktpartnern, deren Wellenlänge im Bereich einiger 10 µm liegt. Die dadurch hervorgerufenen oberflächennahen, erheblichen plastischen Deformationen der Wirkfuge führen zu einem Aufbrechen der Oxidschichten beider Kontaktpartner. Finite Elemente Berechnungen zeigen Verformungsgeschwindigkeiten, die z.T. oberhalb der Schallgeschwindigkeit in Luft, jedoch weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit üblicher Metalle liegen. Die im Wirkspalt befindliche Luft wird dadurch stark komprimiert und aus dem Spalt heraus beschleunigt. Der entstehende sogenannte Jet trägt Schmutz und gelöste Oxidteilchen aus dem Fügebereich heraus.
Die Vorteile stoffschlüssiger EMPT Fügungen sind zum einen durch die hohe Festigkeit der Verbindung begründet. Die Fügestellenfestigkeit entspricht der Festigkeit des weicheren Kontaktpartners. Zum anderen besteht die Möglichkeit zur Erzeugung heliumdichter Verbindungen unterschiedlicher metallischer Werkstoffe ohne thermische Gefügebeeinflussung. Schwer schweißbare Edelstähle sind mit dieser Technik stoffschlüssig miteinander fügbar wie z.B. auch Aluminium-Stahl oder Stahl-Kupfer Werkstoffpaarungen.
Die notwendigen magnetischen Drücke und damit auch die Bauteilverformungen können oftmals durch höhere Halbzeugqualitäten und gute Oberflächenvorbereitung reduziert werden.
http://pstproducts.com/anwendungen.htm
5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
Bei Betrachtung der im EMPT Prozess auftretenden hohen Ströme drängt sich unweigerlich der Gedanke hoher Stromkosten sowie der der Notwendigkeit eines geeigneten Stromanschlusses auf. Dies ist jedoch weit gefehlt, denn die Ströme werden durch stoßartige Entladung der Kondensatoren des Pulsgenerators aufgebracht. Zum Laden der Kondensatoren ist auch bei leistungsstarken Generatoren lediglich ein 380 V/ 32 A Netzanschluss notwendig. EMPT Anlagen kleiner Leistung können z.T. sogar an haushaltsüblichen 230V Anschlüssen betrieben werden. Die Stromkosten für einen Puls liegen derzeit bei Anlagen mit 60kJ Energiespeicher unter 0,0025€ (ein viertel Cent).
Eine von PSTproducts entwickelte und patentierte Spule zum multiplen Formen und Fügen erlaubt die gleichzeitige Umformung mehrerer Bauteile mit dem Strombedarf einer gleichwertigen Einzelumformoperation. Durch Einsatz dieser Spezialspule ist es möglich, die Ausbringung pro Zeiteinheit zu vervielfachen sowie die bauteilbezogenen Umform-/Fügekosten drastisch zu senken. Die Fertigung mehrerer Bauteile in einem Puls führt zudem zu einer deutlichen Verlängerung der Wartungsintervalle des Pulsgenerators und der Spule, da bei diesen Komponenten der Verschleiß maßgeblich von der abgegebenen Pulszahl abhängig ist.
PSTproducts bietet Kunden neben dem reinen Maschinenkauf auch die Möglichkeit an, eine Anlage auf Pro Puls Basis zu installieren. Abrechnungsgrundlage ist hierbei die Anzahl der pro Jahr abgegebenen Pulse. Dieses Modell beinhaltet auch alle Wartungskosten für den Pulsgenerator und soll daher an dieser Stelle zur Angabe eines Fügepreises herangezogen werden. So betragen die Kosten für eine formschlüssige Fügung (inklusive Stromkosten zum Stand Juni 2009) für eine typische Stahl-Stahl Baugruppe eines Automobilzulieferers bei 400.000 Pulsen pro Jahr ca. 0,33€ (dreiunddreißig Cent).
6 Zusammenfassung
Die elektromagnetische Pulsumformtechnik (EMPT) basiert auf der berührungslosen Verformung elektrisch leitfähiger Werkstoffe mit Hilfe starker magnetischer Felder. Hierdurch ist sowohl die Durchführung von Umform-, Schneid- und Fügeoperationen im Bereich der Blech- und Rohrbearbeitung möglich. Im industriellen Einsatz überwiegt derzeit jedoch die Rohrfüge- und Formtechnik. Eine Besonderheit der EMPT in diesem Kontext ist die Möglichkeit zur Kompression nahezu beliebiger Querschnitte.
Die in der Vergangenheit problematische Werkzeug und Pulsgeneratorstandzeit ist heute durch Einsatz geeigneter Werkstoffe und Auslegungsmethoden auf Wartungsintervalle von 500.000-2.000.000 Pulse angehoben. Die Kosten für eine einzelne Umformoperation an höherfesten Stahlbauteilen sind somit auf Centbeträge gesunken. Die Verfügbarkeit der PSTproducts Anlagen genügen den heutigen industriellen Anforderungen mit 100% Prozesskontrolle und Implementierbarkeit in vollautomatisierte Fertigungslinien.
Weiterführende Informationen: http://www.pstproducts.com
7 Literatur
[1] Daehn, G. S. et. Al:, S.: Opportunities in High-Velocity Forming of Sheet Metal. Metalforming magazine, January 1997
[2] Lide, D. R.: CRC Handbook of Chemistry and Physics: 87th Edition: 2006 - 2007. 87th ed. Auflage. B&T, 2006
[3] Belyy, I. V.; Fertik, S. M.; Khimenko, L. T.: Electromagnetic Metal Forming Handbook. A Translation of The Russian Book: Spravochnik po Magnitno-impul'snoy Obrabotke Metallov. Translated By M. M. Altynova, Material Science and Engineering Dept., Ohio State University, 1996
[4] Winkler, R.: Hochgeschwindigkeitsumformung. VEB Verlag Technik, Berlin, 1973
[5] Miracle, D.B. et.al: ASM Handbook: Composites. Edition: 10, ASM International, 2002
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