Metallverformung durch Kurzpulsmagnetfelder

Ergebnisse

Ergebnisse des Metallstanzen von Blechen

Die bei Metallstanzen von Blechen beschriebenen Versuche zum Herausstanzen von Blechen wurde mit quadratischen 2 mm und 3 mm starken Aluminiumblechen durchgeführt. Um die Frequenz und Periodendauer sowie die max. Stromstärke einschätzen zu können wurden zunächst Induktivitätsmessungen durchgeführt. Hierbei wurden jeweils verschiedene Normal-Induktivitäten gemessen. Diese Messungen stimmen nahezu exakt mit der Theorie überein, wenn man davon ausgeht, dass die Induktivität proportional mit dem Quadrat der Windungszahlen zunimmt. Werden die Flachspulen nun mit Metallblechen bestückt, so ergeben sich drastische Induktivitätserniedrigungen:

Die Induktivität der verwendeten Flachspulen hängt nicht nur von den Windungszahlen, sondern auch von der Art der Gegeninduktivität, d.h. den physikalischen Eigenschaften des aufgelegten Metallblechs (Dicke, ohmschen Widerstand, magnetische Suszeptibilität, etc.) ab. Je nach Abstand von der Spule ergibt sich eine mehr oder weniger starke Erniedrigung der Spuleninduktivität.
Dieses physikalische Phänomen ist mit einem belastetem Transformator vergleichbar, dessen kurzgeschlossene Sekundärwicklung die primäre Gesamtinduktivität stark erniedrigt. Da eine theoretische Beschreibung der genauen Zusammenhänge aufgrund der unbekannten Blechinduktivität (eine Windung, die radial zu einer Fläche verschmilzt) nur sehr schwer möglich ist, scheint es sinnvoller die Zusammenhänge experimentell zu ermitteln. Hierzu wurden Induktivitätsmessungen der Flachspulen mit unterschiedlichen Blechstärken bei variablem Abstand zur jeweiligen Spule durchgeführt.

Aus den Diagrammen ist ersichtlich, dass die Spuleninduktivität stark von dem Abstand zwischen Flachspule und Blech abhängt.
Bei direktem Kontakt des Bleches zur Spule ist die Induktivität am geringsten und beträgt zwischen 18-50% der ursprünglichen Spuleninduktivität. Entfernt man nun das Blech schrittweise von der Spule, so zeigt sich ein starkes Anwachsen der Induktivität. Dies lässt sich durch die Abnahme des Kopplungsfaktors k zwischen Spule und Blech erklären. Bei einem Abstand von ca. 5 cm nähert sich die Spuleninduktivität schließlich asymptotisch an die ursprüngliche Spuleninduktivität an.
Da das Metall während des Stanzvorgangs von der Spule weg beschleunigt wird, ändert sich in diesem Zeitraum ständig die Eigeninduktivität der Spule. Dies bedeutet, dass die Spuleninduktivität nicht konstant, sondern zeitabhängig ist. Anhand der Diagramme kann man jedoch das jeweilige "Induktivitätsspektrum" abschätzen und quantitativ den Stromverlauf berechnen.

Bei Entladungen der Kondensatorbank durch die hier beschriebenen Applikationen ergeben sich bei allen 3 Flachspulen unterschiedliche „Stanzausprägungen.“ So ereignete sich bei Blechstärken von 2 mm beispielsweise bei jeder Spule ein Herausstanzen der Aluminiumbleche. Erst bei genauerer Betrachtung der durchlöcherten Bleche zeigten sich jedoch leichte Formungsunterschiede. Diese lassen Rückschlüsse auf die Stanzeffizienz zu. Bleche die mit der FL2 bearbeitet wurden zeigen sehr geringe Ausbuchtungen in Lochnähe, während Fl2-Stanzbleche eine große und FL3-Stanzbleche eine sehr groß ausgeprägte Ausbuchtung haben. Diese Erscheinung lässt sich wohl dadurch erklären, dass die Impulsdauer je nach eingesetzter Flachspule unterschiedlich ist.


Vergleicht man die einzelnen Spannungsoszillogramme der Entladungen, so erkennt man dass die Dämpfung der 3 Entladungskreise ähnlich, die durchschnittliche Periodendauer aber sehr unterschiedlich ist:

Spannungsoszillogramm der FL1-Anordnung	Spannungsoszillogramm der FL2-Anordnung	Spannungsoszillogramm der FL3-Anordnung

Das Oszillogramm der FL1-Anordnung zeigt nach einer Periodendauer von ca. 297µs ein Spannungsextrema von 2,88kV. Zu diesem Zeitpunkt entspricht dies einer gespeicherten Kondensatorenergie von:


Demnach wurde bis zu dieser Zeit eine Energie von ELost = EStart – 622J = 2700J – 622J =2078J dem Schwingkreis entzogen und in mechanische Verformarbeit sowie Wärme umgewandelt. Analog hierzu beträgt der Energieentzug während der ersten Periode bei der FL2-Applikation 2025J und bei der FL3-Applikation 2043J. Entscheidend ist hier aufgrund der recht ähnlichen Werte von ELost also nicht der Energieentzug, sondern die Geschwindigkeit, d.h. die Zeit des Pulses.
Die Bleche der FL1- Applikation werden wegen der recht kurzen ersten Periodendauer von 297µs mit einer durchschnittlichen Teilleistung von Perste Periode = dW/dt = 2078J/ 297 µs = 7MW abgestoßen! Da hier die Geschwindigkeit und Leistung von allen drei Applikationen am größten ist, kann das zu bearbeitende Metallblech vermutlich aufgrund seiner Massenträgheit nicht ausreichend gleichmäßig beschleunigt werden. Dies hat schließlich ein Reißen des Blechs um den Stempel herum zur Folge, so dass münzenartige Gebilde herausgestanzt werden.

Berchnung des Stromverlaufs

Genaueres bezüglich den mathematischen Grundlagen der Berechnung des Stromverlaufs siehe pdf-Dokument:
Berechnung des Stromverlaufs

Noch einmal zusammengefasst bedeutet dies, dass die Fl1-Applikation zwar die größte „Stanzeffizienz“ besitzt, aber die Kondensatoren aufgrund des sehr hohen Pulsstromes auch am stärksten belastet werden. Es gilt daher einen Kompromiss zwischen maximaler „Stanzeffizienz“ und Kondensatorbelastung zu finden.
Dieser Kompromiss wird mit der FL2- Applikation am besten erfüllt, so dass diese Anordnung als „die Idealste“ bezeichnet werden kann.