Fügen durch elektromagnetische Umformung

Durch elektromagnetische Umformung können verschiedenste Werkstoffkombinationen miteinander gefügt werden. Dabei lassen sich hervorragende Fügestelleneigenschaften z.B. in Bezug auf die übertragbaren Kräfte, die Dichtheit oder die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Verbundes erzielen. Besonders geeignet ist die Technologie für die Umsetzung von Leichtbauanwendungen baiserend auf Aluminumlegierungen oder Aluminiummischverbindungen.

Abhängig von den zu verbindenden Halbzeugen und den Anforderungen an die Fügestelle kann die Verbindung dominierend kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig ausgeführt werden und es ist auch möglich, diese Verbundmechanismen und die entsprechenden Vorteile der Verfahrensvariante gezielt zu kombinieren. Kraft- und formschlüssige Verbindungen werden häufig als elektromagnetische Crimpverbindungen bezeichnet, während man bei stoffschlüssigen Verbunden üblicherweise vom Magnetimpulsschweißen spricht.

Unser Leistungsspektrum

Gerne beraten wir Sie unverbindlich zu speziellen Fragestellungen in Ihrem Fachgebiet. Unser Leistungsspektrum umfasst unter anderem

die allgemeine Einschätzung des Potenzials der elektromagnetischen Umformung für Ihre Fügeaufgabe
die Auswahl des meistversprechenden Verbundmechanismus auf Basis der Werkstoffkombination und der Anforderungen an den Verbund)
die Durchführung von numerischen und experimentellen Machbarkeitsstudien
die Prozessanalyse und -auslegung bis zum Prototyping inklusive der Gestaltung der Fügestellengeometrie
die Entwicklung geeigneter Werkzeuge für Herstellung der Verbindung

Verfahrensvarianten

Elektromagnetische Crimpverbindungen

Elektromagnetische Crimpverbindungen sind hervorragend geeignet, um in wenigen Sekunden bei geringem Energie- und Werkzeugaufwand rohrförmige metallische Bauteile mit verschiedensten metallischen oder nichtmetallischen Anschlussstücken zu verbinden. Der Prozess benötigt keine Zusatzwerkstoffe und die Verbindungen können direkt nach dem Fügen einfach und sicher gehandhabt und weiterverarbeitet werden. Somit bietet das elektromagnetische Crimpen eine vorteilhafte Alternative z.B. zum energieintensiven thermischen Aufschrumpfen, zu anderen umformtechnischen Fügeverfahren wie dem langwierigen Rohreinwalzen oder dem Fügen durch Innenhochdruckumformung sowie zu Klebverbindungen mit ihren teilweise komplexen Oberflächenvorbehandlungen und langen Aushärtezeiten. Elektromagnetische Crimpverbindungen sind üblicherweise nicht zerstörungsfrei lösbar, erlauben aber im Rahmen eines Recyclingprozesses eine sortenreine Trennung der gefügten Werkstoffe.

Insbesondere beim kraftschlüssigen Fügen sind nur geringe Umformgrade erforderlich, sodass sich mit dieser Verfahrensvariante auch wenig duktile Werkstoffe verbinden lassen. Dabei ist die Fügestellengeometrie in der Regel sehr einfach gestaltet, sodass keine aufwändigen Fertigungsschritte bei der Halbzeugvorbereitung erforderlich sind.

Beim formschlüssigen Fügen hingegen erfolgt die Lastübertragung durch die Ausbildung von Hinterschnitten an Nebenformelementen wie Nuten oder Sicken. Dies erfordert lokal höhere Deformationen, bietet aber besonders unter Leichtbauaspekten große Vorteile, da die Fügestelle und damit die Überlappung der Fügepartner auch bei hohen Lasten vergleichsweise kurz gestaltet werden können um Material und Gewicht einzusparen.

Magnetimpulsschweißen

Durch Magnetimpulsschweißen lassen sich rohr-, blech- oder schalenförmige Komponenten aus elektrisch gut leitfähigen Werkstoffen wie Aluminium- oder Kupferlegierungen mit verschiedensten metallischen Werkstoffen fügen. Dabei sind auch Mischverbindungen von Werkstoffkombinationen möglich, die mit konventionellen (d.h. thermischen) Verfahren als nicht oder nur schwer schweißbar gelten. Hintergrund ist, dass der Verbund beim Magnetimpulsschweißen durch Hochgeschwindigkeitskollision der Fügepartner infolge einer Beschleunigung durch Lorentzkräfte ohne externen Wärmeeintrag und ohne makroskopisches Aufschmelzen entsteht. Dadurch werden temperaturinduzierte Einschränkungen thermischer Schweißverfahren wie die Bildung kritischer oxidischer oder intermetallischer Phasen, thermische Entfestigung des Werkstoffs oder Wärmeverzug umgangen. Der Prozess erfordert keine Hilfs- oder Zusatzwerkstoffe und die Verbindungen können direkt nach dem Fügen einfach und sicher gehandhabt und weiterverarbeitet werden.

Forschungsarbeiten des Fraunhofer IWU belegen, dass sich magnetimpulsgeschweißte Verbindungen durch hervorragende mechanische Festigkeit und elektrische sowie thermische Leitfähigkeit auszeichnen. Der Prozess benötigt vergleichsweise wenig Energie, ist umwelt- und bedienerfreundlich sowie gut automatisier- und reproduzierbar. Besonders hohes Potenzial bietet das Magnetimpulsschweißen für die Herstellung von

Aluminiummischverbindungen für Leichtbauanwendungen,
stromführenden Verbindungen für die Elektro- und Energietechnik oder
thermisch gut leitfähigen Verbindungen für Kühl- oder Heizsysteme, Lüftungskomponenten, Klimatechnik (HLK) etc.

Bauteilbeispiele

Stoffschlüssige Aluminium-Kupfer-Verbindung