INDUKTIVE ERWÄRMUNG VON FORMPLATINEN FÜR DIE WARMUMFORMUNG

EloP

Zur Beschleunigung der Erwärmung von Platinen für die Herstellung von Warmumformbauteilen wurde von SMS Elotherm eine Anlage zur induktiven Erwärmung von Formplatinen entwickelt und in eine bestehende Versuchsfertigungslinie zum Presshärten integriert. Mit Hilfe der entwickelten Anlage werden die Potentiale der induktiven Erwärmungstechnologie für einen Einsatz in der Serienfertigung von Warmumformteilen erprobt.

HOCHFESTE KAROSSERIEBAUTEILE

Das Fertigungsverfahren des Presshärtens wird zur Herstellung hochfester Karosseriebauteile eingesetzt. Der induktive Warmumformprozess beinhaltet im ersten Schritt eine Austenitisierung der Formplatinen bei Temperaturen oberhalb von 900 °C. Die austenitisierten Platinen werden anschließend automatisiert in ein wassergekühltes Umformwerkzeug eingelegt und in einem Schritt umgeformt sowie rasch abgekühlt. Bedingt durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit entsteht ein martensitisches Werkstoffgefüge wodurch hochfeste Karosseriebauteile entstehen.

KEY FEATURES

ZEIT­ERSPARNISS
VON BIS
ZU 50%

FERTIGUNG
KOMPLEXER
GEOMETRIEN

ENERGIE­KOSTEN
SENKUNG

EMISSIONS­FREI

TECHNOLOGIE

Platinenerwärmung

Spektrum warmumgeformter Bauteile (rot hervorgehoben) am Beispiel der Karosserie des Volkswagen Golf VII (Quelle Volkswagen AG)

Induktive Warmumformung
in der Automobilindustrie

Für die Herstellung crashsicherheitsrelevanter Karosseriebauteile hat das Fertigungsverfahren der Warmumformung in der Automobilproduktion stark an Bedeutung gewonnen. Mit dem Einsatz des Fertigungsverfahrens ergeben sich große Potentiale in den Bereichen des Fahrzeugleichtbaus und damit in der Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der emittierten Abgase.

WAS MACHT DIE TECHNOLOGIE DER
SMS ELOTHERM SO BESONDERS:

Induktoren im Längsfeld- und Querfeldmodus

Um eine homogene Erwärmung von Formplatinen auf Temperaturen bis zu 950 °C zu ermöglichen, wurden Induktoren entwickelt, die sich sowohl in einem Längsfeld- als auch in einem Querfeldmodus betreiben lassen. Zur Minimierung von Kantenüberhitzungen sind die Induktoren dynamisch positionierbar. Durchgeführte Erwärmungsversuche zeigen, dass durch den Einsatz einer Längsfelderwärmung eine Zeiteinsparung von etwa 50 % zur Erreichung einer Temperatur von 950 °C gegenüber einer konventionellen Ofenerwärmung erzielt werden kann.

Temperaturverteilung von Formplatinen

Temperaturverteilung an einer Formplatine (B-Säule) nach induktiver Längsfelderwärmung (Quelle Volkswagen)

Induktionsanlagen zur Fertigung von Karosseriebauteilen

Bei der induktiven Erwärmung erzeugt eine von einem Wechselstrom durchflossene Spule (Induktor) ein elektromagnetisches Wechselfeld. Wenn sich in diesem Feld ein elektrisch leitfähiges Werkstück, z. B. eine Blechplatine, befindet, werden Wirbelströme im Werkstück induziert und das Werkstück infolge Joule’scher Verluste erwärmt. Hinzu kommt im Falle ferromagnetischer Werkstoffe eine Erwärmung infolge von Ummagnetisierungsverlusten.

Bei Längsfeldinduktoren verlaufen die Feldlinien des magnetischen Wechselfelds in der Blechebene. Bei Blechdicken von 1-2 mm wird mit Längsfeldinduktoren im Mittelfrequenzbereich infolge der Eindringtiefe der induzierten Ströme eine maximale Temperatur in Höhe der Curie-Temperatur erreicht. Diese liegt für den Werkstoff 22MnB5 bei etwa 740 °C. Der Vorteil der Längsfelderwärmung liegt in einer hohen Erwärmungshomogenität. Bei Querfeld- und Flächeninduktoren verlaufen die Feldlinien des magnetischen Wechselfelds senkrecht zur Platinenoberfläche. Temperaturen bis über die Schmelztemperatur des Werkstoffs können erreicht werden.

Induktionsanlagen zur Fertigung von Karosseriebauteilen

Induktive Erwärmungsanlage zur
Platinenerwärmung

Induktive Erwärmungsanlagen bestehen aus den Kernkomponenten Umrichter, Kondensatorbatterie und Induktor sowie einer Einheit zur Prozesssteuerung und einer Rückkühlanlage zur Abführung von Verlustenergie. Für die zur Erwärmung von Formplatinen konzeptionierte Anlage werden zwei Induktoren (4, 5) mit einem Transformator (3) und den Kondensatoren (2) zu einem gemeinsamen Schwingkreis zusammengefasst. Der verwendete Umrichter „ELOMAT EM 22PI“ verfügt über eine Leistung von 800 kW bei Frequenzen bis 10 kHz. Zur Anpassung der Schwingkreisfrequenz können unterschiedliche Kondensatoren pneumatisch zugeschaltet werden. Die Leistungsabgabe des Umrichters wird über eine Sollspannungsvorgabe im Bereich von 300-1000 V angepasst.

Über den Beladerollgang (6) werden die Formplatinen der Erwärmungsanlage zugeführt. Die Platine wird für den Durchtransport beidseitig durch pneumatisch anstellbare Scheibenrollen geklemmt und zwangsgeführt. Diese Konstruktion verhindert eine Kollision von Induktor und Platine infolge thermischen Verzugs oder elektromagnetischer Kräfte. Die induktive Erwärmung erfolgt mittels der beiden Induktoren, die quer zur Durchlaufrichtung dynamisch positionierbar sind. Mit Hilfe des Transformators (3) kann die Erwärmungsleistung des zweiten Induktors (5) bei Bedarf angepasst werden. Um einen hohen Wirkungsgrad sicherzustellen sowie Streufelder zu reduzieren, sind die Induktoren mit Transformatorenblechen versehen. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades erfolgt durch eine enge Kopplung zwischen Induktor und Platine. Die Länge der gesamten induktiven Erwärmungsstrecke beträgt 1200 mm.

Induktive Erwärmungsanlagen für Formplatinen

Durch den direkten Übergang von der Induktionserwärmungsanlage zum Rollenherdofen (6) werden die induktiv erwärmten Platinen unter minimalen Temperaturverlusten an die bestehende Versuchsfertigungslinie übergeben. An diesem Übergang wird die Temperatur der Platine mittels eines pyrometrischen Linienscanners des Typs „Landscan LSP-HD 22“ erfasst. Während die Platine den Messbereich durchfährt, werden Messpunkte auf der gesamten Platinenoberfläche erfasst. Die Temperaturmessung erlaubt sowohl eine Kontrolle des induktiven Erwärmungsvorgangs als auch weiterführende, computergestützte Auswertungen. Der installierte Linienscanner hat einen Messbereich von 400- 1200 °C.

Erwärmung verschiedener Werkstücke ohne Induktorwechsel

Eine speziell angepasste Induktorkonstruktion, die eine wahlweise Verschaltung der Induktoren im Längs- bzw. Querfeld ermöglicht, erlaubt die Implementierung verschiedener Erwärmungsmodi ohne Induktorwechsel. Die Induktoren bestehen aus flachen Spulenwickeln oberhalb wie auch unterhalb der Werkstückebene, die über eine entsprechende anschlussseitige Verschaltung als Querfeld- oder als geteilter Längsfeldinduktor eingesetzt werden können. Bild 4 verdeutlicht die beschriebenen Verschaltungsmodi anhand der schematischen Darstellung eines Induktors und zeigt den Verlauf der Feldlinien im Quer- bzw. Längsfeldmodus.

Induktorkonstruktion

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Induktive Erwärmung von Formplatinen

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