Entwicklung und Herstellung optimierter Spulenwindungen für die elektromagnetische Umformung unter Einsatz additiver Fertigungsverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya; Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259797904

Bei der elektromagnetischen Umformung (EMU) wird die Kraftwirkung eines magnetischen Wechselfeldes zur Umformung elektrisch leitfähiger Bleche und Profile genutzt. Die berührungs-lose Krafteinleitung sowie die hohen Formänderungsgeschwindigkeiten sind zwei charakteristische Vorteile dieses Hochgeschwindigkeitsumformverfahrens. Die fertigungstechnische Nutzbar-machung dieser Vorteile wird jedoch durch die oftmals geringe Lebensdauer der Werkzeugspulen und die eingeschränkte Verfügbarkeit von Gestaltungsrichtlinien für die Spulenkonstruktion gehemmt. Zudem schränken die bislang eingesetzten Verfahren zur Herstellung der Spulen-wicklung die Möglichkeiten zur Anpassung des Werkzeuges an die jeweilige Umformaufgabe erheblich ein. Im Rahmen der ersten Förderperiode dieses Gemeinschaftsvorhabens wurde die Kupferlegierung CuCr1Zr für das selektive Laserstahlschmelzen (SLM) zur Fertigung von Spulenwindungen und Druckleitern qualifiziert. Im elektromagnetischen Umformprozess haben die additiv gefertigten Druckleiter zu vergleichbaren Umformergebnissen geführt wie Druckleiter aus einer Knetlegierung, die geometrische Gestaltungsfreiheit ist durch den Einsatz additiver Verfahren jedoch erheblich gesteigert. Erste Untersuchungen zur Herstellung und zum Einsatz hybrider Druckleiter haben zudem gezeigt, dass durch das additive Aufbringen einer dünnen Kupferschicht auf ein Stahlsubstrat die Prozesseffizienz im Vergleich zu monolithischen Druckleitern erhöht werden kann. Mit Blick auf die Ableitung von Gestaltungsrichtlinien für die Spulenkonstruktion wurde ergänzend das thermomechanische Belastungskollektiv der Druckleiter im elektromagnetischen Umformprozess untersucht. Die additive Herstellung monolithischer und hybrider Spulenkonzepte ist auch Gegenstand der zweiten Förderperiode. Hinsichtlich der monolithischen Konzepte besteht das Ziel in der Gestaltung und Fertigung komplexer Mehrwindungsspulen durch die Weiterentwicklung der additiven Scanstrategien sowie der Auslegungsinstrumente für den elektromagnetischen Umformprozess. Aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit zur Nachbearbeitung und der zusätzlichen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Windungen ist dieser Anwendungs-bereich nicht ausschließlich mit den Ergebnissen der ersten Projektphase zu erschließen. Die Weiterentwicklung von Hybridleiterkonzepten hat die Realisierung von elektromagnetischen Umformoperationen zum Ziel, die mittels monolithischer Konzepte nicht oder nur eingeschränkt realisierbar sind. Die komplexen Werkstoffübergänge sind hierbei auf Seiten der additiven Fertigung als Betrachtungsschwerpunkt zu nennen. Die Prozess- und Werkzeugauslegung für den Umformprozess hat eine stärkere Separation der Funktionen Stromleitung und Stützwirkung zum Ziel. Hierdurch soll die Möglichkeit zur lokalen Stromkonzentration verstärkt und die Leitschichtplastifizierung unterdrückt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Jörg Bold