Entwicklung und Herstellung optimierter Spulenwindungen für die elektromagnetische Umformung unter Einsatz additiver Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des beantragten Forschungsvorhabens war in der dritten Projektphase die Entwicklung und Herstellung optimierter Spulenwindungen für die elektromagnetische Umformung (EMU) mittels Selektivem Laserstrahlschmelzen (SLM). Hierzu wurde der Kupferwerkstoff CuCr1Zr umfangreich für die SLM-Verarbeitung qualifiziert. Dabei wurde die komplette Prozesskette vom Pulver bis zum fertigen und nachbehandelten Bauteil, einschließlich der Wärmebehandlung, erarbeitet. Im Rahmen der Untersuchungen wurden verschiedene Scanstrategien und Prozessparameter optimiert, um die SLM-Fertigung von CuCr1Zr-Bauteilen mit zufriedenstellenden Werkstoff- und Bauteileigenschaften zu ermöglichen. Neben der Verarbeitung von monolithischen CuCr1Zr wurde die Hybridmaterialverarbeitung mittels SLM-Verfahren anhand verschiedener Werkstoffkombinationen untersucht. Mittels in Übergangsbereichen abweichender Prozessparameter und einem gestaffelten Energieeintrag konnten Werkstoffübergänge aus CuCr1Zr und verschiedenen Stahlsorten, sowohl für fertiges Halbzeug als auch additiv gefertigtes Material, hergestellt werden. Die erzielten Verbindungszonen waren größtenteils sehr dünn und defektfrei. Es zeigte sich jedoch, dass die Werkstoffreihenfolge einen großen Einfluss auf den Prozess und das daraus folgende Ergebnis hat. So ist der Aufbau von CuCr1Zr auf Stahl deutlich einfacher und prozesstechnisch stabiler als andersherum. Ausgehend von diesen Erkenntnissen konnten ferner multihybride Werkstoffverbunde hergestellt werden. Das in dem Projekt gesammelte Wissen wurde erfolgreich für die Herstellung hybrider Werkzeugspulen angewendet. Im Falle monolithischer CuCr1Zr-Spulen wurden zudem komplexere Spulengeometrien gefertigt und in der EMU verwendet. Der Schwerpunkt der Untersuchungen zum elektromagnetischen Umformen lag zum einen auf dem Verständnis der Auswirkungen verschiedener Mehrwindungsgeometrien auf die Werkstückumformung und zum anderen auf der Übertragung der Erkenntnisse auf die Nutzung von Hybridspulen. So konnte die Auswirkung des Abstands zwischen einzelnen Spulenwindungen auf die Werkstück- sowie Spulenverformung quantifiziert werden, wobei der Proximity-Effekt entscheidend ist. Die Werkstückumformung nimmt mit zunehmendem Spulenabstand ab, was die Gesamteffizienz des Prozesses verringert. Gleichzeitig nehmen auch die Lorentzkräfte auf die Spule mit zunehmendem Windungsabstand ab, womit deren Plastifizierung vermieden oder eingestellt werden kann. Um die Änderung der Stromdichte aufgrund mehrerer Spulenwindungen effizient zu berücksichtigen, wurde ein semi-analytisches Modell zur Vorhersage der Werkstückverformung entwickelt, das für verschiedene Spulenkonfigurationen geeignet angepasst werden kann. Die aus dem Modell gewonnenen Erkenntnisse wurden für die Entwicklung von Spulen für das Eckenausformen von Blechbauteilen verwendet. Es wurde ein neues, modulares Konzept für Werkzeugspulen vorgeschlagen, um die Einschränkungen bei dem multihybriden additiven Fertigungsprozess zu überwinden und zudem einen einfachen Teileaustausch zu ermöglichen. Für eine sichere Umsetzung werden weitere diesbezügliche Arbeiten empfohlen. Die Hybridspulen wurden unter Verwendung integrierter Seitenstützen weiter untersucht, um den Plastifizierungsdruck der Kupferleiterbahn zu erhöhen. Darüber hinaus wurden weitere Vorteile der additiven Fertigungsroute, wie die direkte Integration von komplexen Kühlstrukturen, eruiert und für die aktuelle Werkzeugspulengeometrie optimiert. Durch das abgeschlossene Projekt konnten damit neue Erkenntnisse über die SLM-Verarbeitung von monolithischen CuCr1Zr sowie die erfolgreiche Hybridmaterialverarbeitung erlangt werden. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben es, die Weiterentwicklung der Technologie bis zur industriellen Nutzung weiter voranzutreiben. Somit können dem Markt neue Anwendungen ermöglicht werden, in dem ein flexibles Verfahren zur Fertigung von Kupferbauteilen mit hochkomplexen Geometrien, etwa verbesserte Spulen für die elektromagnetische Umformung, sowie die Darstellung von CuCr1Zr-Stahl-Hybridkomponenten zugänglich gemacht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Measurement of working coil temperature in electromagnetic forming processes by means of optical frequency domain reflectometry. Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation 3 (2015), S. 15 - 20
Gies, S.; Langolf, A.; Weddeling, C.; Tekkaya, A. E.
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Analytical Prediction of Joule Heat Losses in Electromagnetic Forming Coils. Journal of Material Processing Technology 246 (2016), S. 102 - 115
Gies, S., Tekkaya, A. E.
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Qualification of CuCr1Zr for the SLM Process. In: Proceedings of the 7th International Conference on High Speed Forming 2016 (ICHSF16). Dortmund, Germany, 27.04 - 28.04.2016. S. 173 - 182
Uhlmann, E.; Tekkaya, A. E.; Kashevko, V.; Gies, S.; Reimann, R.; John, P.
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Effect of workpiece deformation on Joule heat losses in electromagnetic forming coils. Procedia Engineering 2017 (2017), S. 341 - 346
Gies, S., Tekkaya, A. E.
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Untersuchungen zur Herstellung hybrider Werkstoffverbünde mittels Laserstrahlschmelzen am Beispiel der Kupferlegierung CuCr1Zr (2.1293) und Stahl (1.2344). In: Konferenzband Rapid Tech, 2017, Erfurt, Deutschland, 20.06 - 22.06.2017. S. 345 - 358
Uhlmann, E.; Kashevko, V.
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Extended Qualification of CuCr1Zr for the LBM Process. In: Proceedings of the World Congress on Powder Metallurgy 2018. Beijing, China, 16.08 - 20.08.2018. S. 1673 - 1682
Uhlmann, E.; Kashevko, V.
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Analysis of Proximity Consequences of Coil Windings in Electromagnetic Forming. In: Journal of Manufacturing and materials processing 5 (2021), 45
Goyal, S. P.; Lashkari, M.; Elsayed, A.; Hahn, M.; Tekkaya, A. E.
