Forschungsprojekt

Werkzeug- und Prozessauslegung für die EMU

Zielbranchen

Fahrzeug- und Verkehrstechnologien, auch: Antriebstechnik

Problemstellung

Die wirtschaftliche Nutzung der technologischen Verfahrensvorteile der elektromagnetischen Umformung in der industriellen Fertigung erfordert gesicherte Kenntnisse in Bezug auf die Werkzeug- und Prozessauslegung. Entscheidend ist das Induktorsystem, welches das Werkzeug für diese Technologie darstellt. Es muss angepasst an die jeweilige Anwendung und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des einzusetzenden Stoßstromgenerators ausgelegt werden. Eine gekoppelte numerische Simulation ist die wissenschaftlich exakteste Vorgehensweise, um die Wechselwirkungen zwischen den elektromagnetischen, mechanischen und thermischen Feldern im Prozess zu berücksichtigen und so eine exakte Prozessmodellierung zu ermöglichen. Wegen des hohen Rechenaufwands kann diese jedoch bei der Betrachtung zahlreicher Varianten für die Werkzeug- und Prozessauslegung nicht wirtschaftlich eingesetzt werden.

Lösung

Daher wurde eine mehrstufige Strategie vorgeschlagen, bei der zunächst eine entkoppelte Betrachtungsweise verfolgt wird: Zunächst werden anwendungsbezogene Anforderungen quantifiziert. Mithilfe analytischer Ansätze oder mechanischer Simulationen wird dann ein geeigneter Druckimpuls identifiziert, mit dem diese Anforderungen erreicht werden können. Der Druckimpuls wird charakterisiert über seinen zeitlichen Verlauf (konkret die Anstiegszeit), den Maximalwert und die relative lokale Verteilung. Basierend auf einem ersten Werkzeugentwurf werden dann das Magnetfeld und der magnetische Druck mithilfe elektromagnetischer Simulationen berechnet. Anhand eines Ablaufdiagramms erfolgt systematisch die Bewertung und iterative Optimierung des Werkzeugentwurfs. Im nächsten Schritt werden ausgewählte Werkzeugvarianten durch deutlich genauere gekoppelte elektromagnetische, strukturmechanische und bei Bedarf thermische Simulationen verifiziert und ggf. optimiert. Schließlich erfolgt die finale Verifikation durch Fertigung und Erprobung prototypischer Werkzeuge.

Der Entwicklungsaufwand bei dieser mehrstufigen systematischen Auslegungsmethodik lässt sich an die betrieblichen Bedingungen wie z. B. die Stückzahl individuell anpassen. Für Anwendungen mit geringeren Anforderungen (z. B. in Bezug auf die Stückzahl) steht bereits nach der Vorauslegung mit entkoppelter Simulation (d.h. nach geringem zeitlichen und finanziellen Aufwand) ein tauglicher Werkzeugentwurf zur Verfügung. Hohe Anforderungen können mithilfe optimierter Werkzeuge und Prozessparameter nach Durchlaufen sämtlicher Auslegungsstufen erfüllt werden.

Partner

Die Betrachtung dieser komplexen Themenstellung erfolgte in einem von der EU und der AIF im CORNET-Programm geförderten Projekt zusammen mit der TU Chemnitz, dem Belgium Welding Institute und der Universität Gent. Die Forschungsarbeiten beinhalten die Entwicklung von Simulationsstrategien und -modellen als Werkzeug im Spulenauslegungsprozess sowie die Identifizierung von Entscheidungskriterien in Bezug auf die Gestaltung der Spulenwindung, der Werkstoffauswahl, der Isolations- und Armierungsstrategie, etc.

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