Berührungsloser Vorschub von metallischen Folien in der Mikrostanztechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im hier beschriebenen Projekt wurde die Anwendbarkeit eines berührungslosen elektromagnetischen Vorschubprinzips auf dünne, metallische Folien untersucht und evaluiert. Hierfür wurden zunächst Anforderungen definiert, welche sich aus den angestrebten Einsatzbereich in der Mikrostanztechnik ergeben. Dabei wurde die mangelnde Steifigkeit des vorzuschiebenden Materials als zentrale Herausforderung erkannt. Als potentielle Lösungsansätze wurden zum einen die homogene Krafteinleitung im Vorschubmaterial und zum anderen die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments mittels Krümmung identifiziert. Hierauf aufbauend wurden Randbedingungen formuliert und Simulationsstudien zur Auslegung der elektromagnetisch aktiven Komponenten (Statorkerne) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell in Ansys aufgebaut. Unter Variation der Gestaltparameter der Statorkerne wurde versucht, ein Optimum zwischen Höhe der Vorschubkraft, Homogenität der Krafteinleitung und bestmöglicher Materialausnutzung bzgl. magnetischer Sättigung zu finden. Als Ergebnis steht ein Parametersatz, der einen guten Kompromiss der genannten Kriterien für den vorliegenden Anwendungsfall darstellt. Mit diesem Parametersatz wurde ein Vorschubdemonstrator konstruiert. Die Einzelteile wurden gefertigt, die Spulen gewickelt bzw. geformt und der Vorschubdemonstrator montiert. Ein kritischer Arbeitsschritt stellte dabei das Einlegen und Verbinden der einzelnen Spulen dar. Hierbei können selbst bei kleinsten Fehlern Kontaktstellen zwischen den Strängen untereinander bzw. zwischen Strängen und dem Stator entstehen. Während der Bearbeitung ist dieser Fall im finalen, irreversiblen Arbeitsschritt eingetreten, sodass die Statorkerne neu aufgebaut werden mussten, was zu Verzögerungen im Projektverlauf führte. Nach erfolgreichem Bau des Demonstrators, wurde dieser in Betrieb genommen. Der Demonstrator wurde in Kombination mit einer in der Forschungseinrichtung entwickelten Presse dazu genutzt, die Simulationen zu validieren und die Möglichkeit der Anwendung des berührungslosen elektromagnetischen Vorschubprinzips auf dünne Folien zu überprüfen. Dazu wurde ein Schneidprozess auf der Presse durchgeführt, wofür der Demonstrator als Vorschubeinheit diente. Im Zuge der Versuche haben sich die Herausforderungen aufgrund der geringen Materialsteifigkeiten als lösbar erwiesen. Dabei konnten hohe Vorschubgeschwindigkeiten mit sehr hohen Beschleunigungen erreicht werden. Lediglich die Positioniergenauigkeit war im Rahmen der Versuche ausbaufähig. In weiterführenden Grundlagenstudien wurde zudem untersucht, ob das elektromagnetische Vorschubprinzip darüber hinaus auch auf bereits bearbeitete Metallfolien anwendbar ist. Hierzu wurden rechteckige, zur Vorschubrichtung quer- und längsgerichtete Stanzstrukturen modelliert. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Prinzip auf bestimmte Strukturen (quergerichtete Ausschnitte) sogar besser anwendbar ist als auf unbearbeitete Folien, da hier höhere Vorschubkräfte erreicht werden. Eine Erhöhung der Vorschubkraft bei bestimmten Ausschnittformen könnte jedoch auch zum Reißen des Materialbandes führen. Durch die Bearbeitung wird der Querschnitt des Materials an den Ausschnittstellen mitunter stark verringert, so dass die Zugspannung die Zugfestigkeit des Materials an diesen Stellen übersteigen und zum Abreißen führen kann. Das berührungslose Vorschubprinzip kann folglich genutzt werden, erfordert aber vorausgehende Berechnungen, um ggf. Bandabriss zu vermeiden. Darüber hinaus wurden Tiefziehstrukturen modelliert, bei denen kein nennenswerter Einfluss der Struktur auf die Vorschubkraft bei konstanter Homogenität der Krafteinleitung festgestellt wurde. Dabei ist jedoch mit steigendem Umformgrad der Einfluss eines potentiell größeren Luftspalts höher einzuschätzen als der minimale Einfluss der veränderten Materialgestalt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Simulation of an Electromagnetic Foil- Feeding Device, Production at the leading edge of technology, Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Dresden, 23. - 24. September 2020, Springer, Berlin, Heidelberg, 2020
Commichau, O.; Höber, A.; Behrens, B.-A.; Krimm, R.
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Evaluation of an Electromagnetic Feeding Principle on Thin Metallic Foils, Production at the leading edge of technology, Proceedings of the 11th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Dresden, 28. September - 01. Oktober 2021, Springer, Cham, 2022
Höber, A.; Commichau, O.; Behrens, B.-A.; Krimm, R.
