Lektion 4.8UmformenKapitel 4 · Blech- und Rohrumformung

Elektromagnetisches Umformen

Ein Magnetimpuls schleudert Metall berührungslos auf ein Anschlussstück

Das elektromagnetische Umformen (EMF) formt Metall mit einem Magnetimpuls statt mit einem Werkzeug, das es berührt. Eine Spule, die einen Stromstoß von Sekundenbruchteilen erhält, stößt ein Teil aus Aluminium oder Kupfer ab, so heftig, dass ein Rohr auf ein Anschlussstück gepresst wird. Dieselbe Physik lässt Bastler eine Münze schrumpfen und Autohersteller Aluminiumrohre ohne Schweißen mit Stahlteilen verbinden.

Foto: Bert Hickman, Stoneridge Engineering, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Elektromagnetisches Crimpen · Impulskreis und Schnittbild von Spule, Rohr und AnschlussstückDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten. Das Schnittbild zeigt nur die obere Hälfte der runden Spule, des Rohrs und des Anschlussstücks, kurz nach dem Impuls.

So funktioniert es

Die Kondensatoren laden. Eine Kondensatorbank (ein schnell entladbarer Speicher elektrischer Ladung) wird auf mehrere Kilovolt geladen und speichert meist einige bis einige zehn Kilojoule.
Den Schalter auslösen. Ein schneller Schalter (eine Funkenstrecke oder ein Hochleistungsthyristor) verbindet die Bank mit der Arbeitsspule, einigen Windungen aus dickem, gut isoliertem Kupfer.
Einen Stromimpuls senden. Zehn- bis hunderttausende Ampere schießen etwa 10–100 Mikrosekunden lang durch die Spule. Das plötzliche Magnetfeld induziert im Rohr Wirbelströme (kreisende Ströme, die in einem Leiter induziert werden), die in die Gegenrichtung fließen.
Den Stoß die Arbeit tun lassen. Gegenläufige Ströme stoßen sich ab, sodass ein starker magnetischer Druck die Rohrwand mit etwa 100–300 m/s von der Spule wegschleudert. Die Spule berührt das Teil nie.
Aufprall und Verriegelung. Die Wand schlägt auf das Anschlussstück und in dessen Nuten und bildet in Mikrosekunden eine feste Verbindung. Bei genügend Geschwindigkeit können die beiden Metalle sogar verschweißen (Magnetpulsschweißen).

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Gute elektrische Leiter: Aluminium, Kupfer, Messing; Stahl und schlechte Leiter brauchen Anpassungen oder ein leitfähiges „Treiber“-Blech
Typische Teile: Auf Anschlussstücke gecrimpte Rohre, Kabelschuhe, Antriebswellen mit Endstücken, Blechdetails, in ein einseitiges Gesenk gepresst
Bauteilgröße: Meist Rohre und Blechbereiche bis zu einigen hundert Millimetern, bestimmt durch Spule und gespeicherte Energie
Präzision: Sehr gut reproduzierbar; die Form wird vom Anschlussstück oder Gesenk bestimmt, oft innerhalb von etwa ±0,1 mm bei Crimpdurchmessern
Oberfläche: Keine Werkzeugspuren von der Spule; die umgeformte Fläche kopiert das Anschlussstück oder Gesenk
Geeignete Losgröße: Mittlere bis hohe Serien, sobald Spule und Einstellungen abgestimmt sind
Werkzeug- und Maschinenkosten: Impulsmaschinen kosten meist hunderttausende Dollar; Spulen verschleißen und werden ersetzt
Geschwindigkeit: Das Umformen dauert Mikrosekunden; mit Beladen dauert ein Zyklus einige Sekunden

Stärken und Grenzen

Stärken

Kein Kontakt: keine Werkzeugspuren und kein Schmiermittel
Extrem schnell und sehr gut reproduzierbar
Verbindet verschiedenartige Werkstoffe, etwa Aluminium mit Stahl, ohne Wärme
Die hohe Geschwindigkeit lässt Metall weiter dehnen, bei wenig Rückfederung

Grenzen

Funktioniert am besten bei guten Leitern wie Aluminium und Kupfer
Die Hochspannung verlangt strenge elektrische Sicherheit
Spulen sind riesigen Kräften ausgesetzt und verschleißen
Beschränkt auf recht dünne Wände und bescheidene Teilegrößen

Wo es eingesetzt wird

AutomobilbauAntriebswellen, Rahmenverbindungen, Klimaleitungen
Luft- und RaumfahrtDrehmomentrohre und Steuerstangen, mit Endstücken verbunden
ElektrikGecrimpte Kabelschuhe und Steckverbinder
Heizung und KühlungKältemittelrohrverbindungen von Kupfer auf Aluminium

So erkennen Sie es

Ein Rohr, glatt und gleichmäßig ringsum in die Nuten eines Anschlussstücks geschrumpft.
Keine Werkzeugspuren, Dellen oder Backenabdrücke an der Crimpstelle.
Oft Aluminium oder Kupfer, mit Stahl oder Kunststoff verbunden, ohne Schweißraupe oder Klebstoff.

Im Vergleich mit

Explosivumformen4.9ebenfalls Hochgeschwindigkeitsumformen, aber die Energie stammt von einer chemischen Ladung unter Wasser, für sehr große Teile.Hydroforming4.5drückt Metall mit Flüssigkeitsdruck, langsam und mit Dichtungen; EMF nutzt einen Magnetimpuls und keinen Kontakt.Explosionsschweißen7.8dieselbe Idee „schneller Aufprall verbindet Metalle“, angetrieben durch Sprengstoff.

Ansehen

Physics Girl · Eine klare Erklärung, mit Zeitlupenaufnahmen einer von einer Impulsspule geschrumpften Münze

Physics Girl · Wie heftig der magnetische Stoß ist, in Zeitlupe gesehen

Chaotic Good · Die Hardware: Kondensatoren, Schalter und Spule einer Impulsmaschine

Greg Benoit · Eine frühe Anwendung in der Luftfahrt: Rohre, per EMF mit Endstücken verbunden

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Elektromagnetisches Umformen — Prinzip, Werkstoffe, Crimpen und Schweißen; fast keine Fotos
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Merken

Ein Stromimpuls in einer Spule stößt einen nahen Leiter weg: Kein Werkzeug berührt je das Teil.
Das gesamte Umformen geschieht in Mikrosekunden, mit Geschwindigkeiten von hunderten Metern pro Sekunde.
Am besten für Aluminium- und Kupferrohre, auf Anschlussstücke gecrimpt, auch aus einem anderen Metall.