Elektromagnetische Felder ersetzen Schneidstempel

Von Barbara Stumpp So gut die hohe Festigkeit von Spezialstählen für die Sicherheit von Fahrzeug- insassen ist, so schlecht ist sie für die Schneidstempel. In einem Verbundforschungsprojekt wurden jetzt die Möglichkeiten von EMPT-Schneiden als kosteneffizienter Alternative ausgelotet.

ie Karosserie macht etwa ein Viertel des Fahrzeuggewichts aus. Deshalb bieten hoch- und höchstfeste Stähle die Möglichkeit, die Blechdicke zu senken und somit bei gleicher Sicherheit deutlich leichtere, also sparsamere Autos zu bauen. Einsatzorte dieser Spezialbleche im Auto sind vor allem crashrelevante Teile wie Säulen, Längs- und Querträger, Seitenaufprallträger und Stoßfänger. Diese Spezialstähle brauchen nicht nur eine Sonderbehandlung beim Umformen, schon das Schneiden ist nicht einfach.

Beim Umformen und stoffschlüssigen Fügen von Rohren und Profilen aus Aluminium und konventionellen Stählen hat sich EMPT (elektromagnetische Puls-Technologie) schon vielfach bewährt. Dagegen ist der Einsatz zum Stahlschneiden neu. Und geschnitten werden müssen hier nicht irgendwelche beliebigen Alltagsstähle sondern Sorten wie USIBOR (22MnB5) oder Trip700. Schneiden kann man diese Stähle zwar auch jetzt schon, aber nicht so, wie es die Automobil-Hersteller gerne hätten. Dr. Lars Engelbrecht Technologieplanung und -entwicklung bei VW: „Bei Blechdicken unter 1,8 mm arbeiten wir in der Produktion mit Stempeln, bei dickeren Blechen setzen wir Laser ein, aber die sind teuer und wir sind auf der Suche nach preisgünstigeren Alternativen.“ Dr. Verena Kräusel Abteilungsleiterin am Fraunhofer-IWU, ergänzt: „Außerdem braucht ein Laser um ein Loch zu schneiden 1,4 Sekunden, mit der EMPT passiert das in Mikrosekunden.“

Auf den ersten Blick sieht die Rechnung bezüglich Kosteneffizienz scheinbar ganz einfach aus: Man benötigt kein Stempelwerkzeug, das erst aufwändig gebaut, dann eingerichtet und Instand gehalten werden muss. Das EMPT-System lässt zudem relativ große Freiheiten bezüglich der Schneid-Geometrien zu – vorausgesetzt, das System kann den für die Aufgabe nötigen Entladestrom erzeugen. Denn ab einer gewissen Blechdicke – im Verbundprojekt waren es 0,9 mm – erreicht das Verfahren die Grenze der Spulenfestigkeit, hier besteht also noch Entwicklungspotenzial. Außerdem müssen die Entwickler die Auslegung der Anlage an den Durchmesser des zu schneidenden Lochs anpassen: Je kleiner das Loch je höher ist der benötigte Druck, dazu kommt noch der Einfluss der Blechdicke. Das Fraunhofer-IWU, PSTproducts und VW haben sich jetzt zusammengetan, um die Machbarkeit des Hochgeschwindigkeits-Schneidens mittels EMPT und sein Potential für den industriellen Einsatz zu ermitteln.

Auf die Spule kommt es an

Ein EMPT-System besteht aus Pulsgenerator, Spezial-Spule, Kondensatorbatterie, Ladeeinrichtung und Hochstromschalter. Wird der Schalter geschlossen, entlädt sich der Kondensator innerhalb von wenigen Mikro-Sekunden über die Spule. Diese baut ein magnetisches Feld auf, das über Induktion in der zu schneidenden Stahlplatine einen Strom induziert, dessen magnetisches Feld dem ersten entgegengesetzt ist; beide Felder stoßen sich also gegenseitig ab. Der magnetische Impuls schlägt dann die bewegliche Platine auf die Matrize. Die auf das Blech wirkende Kraft drückt es durch die Matrize und schert es dabei an der Schneidkante ab. Die Schnittkanten sind prinzipbedingt auf der Blechseite, die der Spule zugewandt ist, immer verrundet; die Matrizenseite des Blechs ist dagegen scharfkantig. Der große Vorteil: die Schnittkanten sind gratfrei und deshalb brauchen mittels EMPT geschnittene Bleche keine Nachbehandlung.

Zum Schneiden von hochfesten Stähle benötigt man allerdings enorm hohe Drücke. „USIBOR-Stähle haben eine Fließgrenze von über 1.200 MPa, viermal so hoch wie normaler Bau-Stahl“, stellt Dr. Ralph Schäfer, Forschung und Entwicklung bei PSTproducts, fest. „Es wirken etwa 3.500 bar auf den Stahl ein, was einem Gewicht von drei Kleinwagen auf einem Fingernagel entspricht“, bestätigt Verena Kräusel. Mit USIBOR ist man auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit an der Grenze des mit EMPT-Schneiden Machbaren angelangt.

Die neuen Systeme halten mehrere Millionen Pulse aus

Zudem muss ein Pulsgenerator die zum Schneiden erforderlichen Ströme von 100 bis 2.000 kA und Entladezeiten im Mikrosekundenbereich auch erst einmal aushalten können, und hier war viel Entwicklungsarbeit nötig. Doch – so Ralph Schäfer: „Wir sind jetzt aus der Laborphase heraus.“ Die neuen Systeme halten mehrere Millionen Pulse aus und speziell die selbstarmierenden Spulen schaffen zwei Millionen Pulse. „Seit 2007 erfüllen wir alle industriellen Ansprüche“, bekräftigt Ralph Schäfer. Die Schneid-Anlagen funktionieren zuverlässig, der Markteintritt richtet sich nun nach dem Interesse der Industrie. EMPT-Umformen und -Fügen haben diese Phase schon hinter sich gelassen und werden schon vielfach in der Serienfertigung eingesetzt. So entstehen Steuerteile für Flugzeuge, Steckverbindungen für die Elektronikindustrie, Fahrwerkkomponenten und – etwa bei Bosch – Komponenten für die Dieseleinspritzung.

Um einen Pulsgenerator zu betreiben, reichen normale 380V/32A-Netzanschlüsse aus. In etwa fünf Sekunden hat sich der Kondensator aufgeladen und die Stromkosten pro Puls betragen bei dem System PS60 nur 0,0025 €. Neben diesen niedrigen Prozesskosten ist das Verfahren gut automatisierbar und liefert beste Reproduzierbarkeit. In Abhängigkeit von Geometrie und Material könnten sogar das Umformen und das Schneiden der Löcher in einen Arbeitsschritt ausgeführt werden.

Dass EMPT-Schneiden industrielles Potential hat, bestätigt auch Lars Engelbrecht – mit einer Einschränkung: „Das Verfahren liefert schräge Schnittkanten.“ Jetzt muss noch geprüft werden, ob etwa bei Löchern trotzdem die konventionellen Stopfen oder Clipse halten, und wie man so mit den schrägen Schnittkanten leben kann.

EMPT-Standzeiten sind industrietauglich

Von den Standzeiten her leistet EMPT, was die Industrie wünscht. Jetzt müssen noch Konzepte entwickelt werden, um ein solches System in eine Pressenstraße zu integrieren, denn die Spulen benötigen relativ viel Bauraum. Außerdem: Je kleiner das zu schneidende Loch ist, umso höher sind die Drücke, was wiederum größere Spulen erfordert.

Die von PSTproducts entwickelten und patentierten Mehrfach-Fügespulen formen oder schneiden mehrere Bauteile oder Löcher mit einem Puls. Normalerweise benötigt man so viele Spulenbohrungen wie Matrizen zu bedienen sind. Die patentierte Mehrfach-Fügespule (Mjo-Spule) basiert besitzt mehrere Füge- oder in diesem Fall Schneidbereiche. Der Strombedarf einer Mjo Spule ist im übrigen nur geringfügig höher als der einer konventionellen Spule, je nach Anzahl der Fügebereiche bis zu zehn Prozent, aber man schafft kleinere Lochabstände und die Anlagenkosten sinken deutlich, Wartung und Instandhaltung werden günstiger, man spart Energie und erhöht den Durchsatz.

„Die Machbarkeit ist jetzt bewiesen“, so Verena Kräusel. Jetzt kommt die Anpassung an den industriellen Alltag. „Der industrielle Einsatz zum Schneiden höchstfester Bleche ist noch nicht absehbar, weil es diverse Einflüsse aus der Großserienproduktion gibt, die man im Labor nur schwierig nachbilden kann“, stellt Lars Engelbrecht fest.

Ein erster, weiterer Entwicklungsschritt wäre die Fokussierung auf reale Bauteilgeometrien.Interessenten gibt es zahlreiche, sie kommen aus der Elektronikindustrie, sind Hersteller von Heizungssystemen, und ganz besonders die internationalen Automobilzulieferer sehen hier Vorteile. Schließlich gilt es gleichzeitig Sprit zu sparen und die Sicherheit der Autoinsassen gewährleisten zu müssen.

Diese Bleche können zwar be- und verarbeitet werden, aber Aufwand und Kosten gängiger Verfahren zwingen die Firmen zur Suche nach effizienteren Alternativen. Und EMPT-Schneiden scheint hier den nötigen Schritt in die richtige Richtung zu leisten, zumal es den Prozessparameter ‚Schnelligkeit’ um Klassen verbessert. W

www.iwu.fraunhofer.de

www.pstproducts.com

www.volkswagen.de