Gepulste elektromagnetische Felder schneiden hochfeste Bleche

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Diese als Pulsgenerator bezeichnete Komponentenkonstellation wird mit einer entsprechenden Last in Form einer Spule verbunden. Beim Schließen der Schalter entladen sich innerhalb weniger Mikrosekunden die Kondensatoren über diese Spule, so dass ein hoher, gepulster Strom fließt. Die Schalter schließen einen sogenannten elektrischen Schwingkreis.

Spule erzeugt magnetische Energie zum Blechschneiden

Die in den Kondensatoren gespeicherte Energie wird in der Spule in magnetische Energie gewandelt. Die Induktivität der Spule – das mechanische Analogon wäre eine Massenträgheit – treibt den Entladestrom auch noch weiter, wenn die Kondensatorspannung auf Null gefallen ist. Somit wird der Kondensator mit umgekehrtem Vorzeichen wieder aufgeladen.

Der beschriebene Vorgang führt zu einem sinusförmigen Stromfluss mit wechselndem Vorzeichen, der durch die ohmschen Widerstände des EMPT-Systems gedämpft wird [2]. Die Entladefrequenz liegt im Bereich einiger 10 kHz.

Ströme zum Blechschneiden mit herkömmlichem Netzanschluss realisierbar

Das Aufladen der Kondensatoren geschieht typischerweise innerhalb eines Zeitraums von zirka 5 s [4, 5]. Die hierzu notwendigen Ströme sind recht gering und können von einem üblichen Netzanschluss mit 380V/32A aufgebracht werden [5]. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt schematisch den Aufbau eines EMPT-Systems bestehend aus Pulsgenerator und Spule, sowie einen Entladestromverlauf.

Die Arbeitspule induziert in das Werkstück einen Stromfluss, der dem in der Spule gegenläufig ist. Da sich gegenläufige Ströme abstoßen, entsteht zwischen Spule und Werkstück ein magnetischer Druck, der im Bereich bis zu einigen 100 N/mm² liegen kann.

Festigkeit der Spule begrenzt magnetischen Druck beim Blechschneiden

Die Obergrenze des magnetischen Drucks ist durch den maximalen vom Pulsgenerator bereitgestellten Entladestrom, der Windungsanzahl der Spule sowie deren geometrischen Abmessungen abhängig. Die begrenzende Größe ist jedoch vor allem die Festigkeit der Spule, denn auf diese wirkt eine Last, die mindestens dem auf das Werkstück aufgebrachten Druck entspricht.

Für den Vergleich der genannten Hochgeschwindigkeitsprozesse bezüglich der erreichbaren Schnittflächenqualität sowie der Umsetzbarkeit in der Serienfertigung erfolgte die Festlegung von Modellgeometrien zum Lochen und Ausschneiden sowie die Auswahl der Werkstoffe DP 600, TRIP 700 und 22MnB5 im Blechdickenbereich von zirka 2 mm.

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