Forschungsprojekt

Elektromagnetisch gefügte Rohre

Zielbranchen

Fahrzeug- und Verkehrstechnologien, auch: Antriebstechnik, Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen

Problemstellung

Ziel des Fügeprozesses ist es, funktionsangepasste bzw. gewichtsoptimierte Halbzeuge für die Innenhochdruck-Umformung (IHU) herzustellen. Dabei muss die Fügestelle höchsten Belastungen standhalten. Bereits beim Schließen der IHU-Werkzeuge sind häufig signifikante Querschnittsdeformationen zu ertragen und bei der anschließenden Beaufschlagung mit Innendruck ist die Dichtheit des Verbundes zu gewährleisten. Unter Berücksichtigung von Leichtbauaspekten ist die Fügeverbindung so zu gestalten, dass die erforderliche Überlappungslänge der Fügepartner möglichst kurz ist.

Zur Erfüllung dieses Anforderungsprofils soll die Fügeverbindung vorzugsweise stoffschlüssig realisiert werden. Für das Fügen von Rohren werden die Enden der koaxial ausgerichteten Fügepartner ineinandergeschoben. Dazu wird hier der innere Fügepartner einer vorangehenden mechanischen Rohrendenbearbeitung unterzogen. Ein aufgebrachter magnetischer Druck beschleunigt den äußeren Fügepartner, sodass es zur Kollision kommt. Geeignete Aufprallbedingungen (Kollisionswinkel und -geschwindigkeit) vorausgesetzt, kommt es zum sogenannten Jet-Effekt, der Verschmutzungen, und Oxidpartikel aus der Kollisionszone heraus transportiert. Die so gereinigten hochreaktiven Oberflächen gehen unterstützt durch den Kontaktdruck eine metallische Bindung ein. Um die Deformation des Innenrohres beim Fügen durch elektromagnetische Kompression zu vermeiden und die Verbundqualität zu steigern, kann ein Stützdorn eingesetzt werden.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts »Skalierbare Module aus Antrieb und Achse für die Elektromobilität - ESKAM« wird die Machbarkeit dieser Verfahrenskombination anhand eines industriellen Anwendungsbeispiels untersucht.

Lösung

Die Kernkompetenzen des Fraunhofer IWU im Bereich der elektromagnetischen Umformung und des Fügens durch elektromagnetische Umformung umfassen insbesondere die Technologie- und Werkzeugentwicklung. Für das Fügen von Profil-Rohr- oder Rohr-Rohr-Verbindungen werden geeignete Induktorsysteme entworfen und gebaut. Bei der Auslegung wird auf eine effiziente mehrstufige Strategie zurückgegriffen, die

  • eine Vorauslegung mithilfe entkoppelter elektromagnetischer und strukturmechanischer Simulation des elektromagnetischen Umformprozesses,
  • eine Feinauslegung mithilfe gekoppelter Simulation sowie
  • eine prototypische Umsetzung des ausgelegten Induktorsystems

vorsieht.

In Bezug auf die dargestellte Prozesskette werden Strategien entwickelt, mit denen sich die Machbarkeit für spezielle Anwendungsbeispiele mithilfe von numerischen Simulationen des IHU-Prozesses und einfachen Modellversuchen abschätzen lässt. Darüber hinaus ist auch die Machbarkeitsuntersuchung anhand der Realgeometrie möglich.

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