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Magnetimpulsschweißen erleichtert die Herstellung von Mischverbindungen

| Autor / Redakteur: Verena Psyk, Maik Linnemann und Christian Scheffler / Peter Königsreuther

Gelungener Mix: Diverse Beispiele von am IWU bereits erfoglreich gefertigten Materialkombinationen, die mithilfe des Magnetimpulsschweißens entstanden sind.
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Gelungener Mix: Diverse Beispiele von am IWU bereits erfoglreich gefertigten Materialkombinationen, die mithilfe des Magnetimpulsschweißens entstanden sind. (Bild: Fraunhofer-IWU)

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Kupfer ist in vielen Schlüsselbranchen, wie etwa der Elektrotechnik, ein wichtiger Problemlöser und Machbarkeitsgarant, der aber auch sehr teuer und schwer ist. Deshalb sucht man nach Alternativen. Hybridbauteile sind ein interessanter Weg, den Forscher derzeit beschreiten, um ans Ziel zu kommen. Dazu gehört auch die richtige Fügetechnik, die schnell und materialschonend arbeitet.

Kupfer zeichnet sich durch hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie exzellente chemische Beständigkeit aus. Deshalb ist es derzeit in Deutschland und weltweit der dritthäufigste eingesetzte Rohstoff [1]. Speziell für Anwendungen in den Bereichen der Wärme- und Kältetechnik sowie in elektrischen und elektronischen Applikationen ist er essenziell. 2014 wurden fast 60 % des in Deutschland verarbeiteten Kupfers für Kabel und Elektroanwendungen und weitere 15 % im Bauwesen genutzt.

Leichtbautrend stärkt Interesse

Nicht zuletzt wegen der rasanten Entwicklungen im Elektroniksektor ist der Kupferbedarf und -preis in den letzten Jahre angestiegen. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Kupfer ist neben den hohen Kosten auch die hohe Dichte, die zu hohem Bauteilgewicht führt und so dem aktuellen Trend hin zum Leichtbau widerspricht. So ist es aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen sowie in einigen Wirtschaftssparten, wie beispielsweise im Automobilsektor, auch aufgrund gesetzlicher Vorschriften zur Reduzierung von Emissionen anzustreben, Kupfer so weit wie möglich durch einen alternativen Werkstoff zu ersetzen. Dabei bietet sich besonders Aluminium an, dessen elektrische und thermische Leitfähigkeit bei etwa 60 % der Werte von Kupfer liegt, während die Kosten pro Gewichtseinheit nur etwa 40 % und die Dichte sogar nur 30 % der Werte von Kupfer betragen.

Vor diesem Hintergrund ist das Projekt „Joining of copper to aluminium by electromagnetic fields - JOIN’EM” entstanden. Dazu forschen 14 Partner aus Industrie und Wissenschaft aus Portugal, Österreich, Frankreich, Belgien, Italien und Spanien koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik – IWU, gemeinsam, um Bauteile, die derzeit noch komplett aus Kupfer gefertigt sind, durch Aluminium-Kupfer-Hybridbauteile zu ersetzen. Diese werden größtenteils aus geeigneten Aluminiumlegierungen bestehen, während Kupfer nur noch in Bereichen, wo es unverzichtbar ist, zum Beispiel als lokale Schicht, eingesetzt wird.

So können Kosten deutlich gespart und Leichtbauziele erreicht werden. Doch erfordert dieser Ansatz eine geeignete Technologie für die wirtschaftliche Fertigung qualitativ hochwertiger Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen. Hier bietet sich das Magnetimpulsschweißen an, das auf der sogenannten elektromagnetischen Umformung beruht. Dieses Verfahren wurde 1970 erstmals vorgeschlagen [2], konnte sich jedoch zu der Zeit industriell nicht durchsetzen. In Zusammenhang mit den Entwicklungen zum Leichtbau wird es jedoch seit den 2000er-Jahren wieder intensiv erforscht (siehe [3], [4], [5]) und das industrielle Interesse wächst beständig.

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