Metallverformung durch Kurzpulsmagnetfelder

Ergebnisse

Ergebnisse der elektromagnetischen Dosenzerquetschung

Schließt man an die Kondensatorbank ringförmig gewickelte Spulen an, so können Metalldosen, die in den Spulen platziert werden, elektromagnetisch zerquetscht werden.
Wie in der Kategorie Methodik erwähnt sollte hier die ideale Spule zum „elektromagnetischem Zerquetschen“ gefunden werden.
Versuche mit verschiedenen Dosenmarken zeigten, dass nur Alu-Dosen effizient zerquetscht werden können. So ist es z.B. nicht möglich spezielle Nescafe-Dosen zu zerquetschen, da sie aus eisenhaltigem Weißblech bestehen. Dieser Eisengehalt kann mit einem Permanentmagneten nachgewiesen werden. Enthält die Dose Eisen, so ist sie ferromagnetisch und wird von dem Magneten angezogen. Dieser ferromagnetische Charakter führt während der Impulsentladung zu massiven Magnetisierungsverlusten, so dass nicht mehr genügend magnetische Feldenergie zur Verfügung steht die Dose zu zerquetschen. Hervorragend zerquetschen lassen sich jedoch paramagnetische Aluminium-Dosen, bei denen nur sehr geringe Magnetisierungsverluste auftreten.

	Nebige Abbildung zeigt die Quetschungen gleichartiger Nescafé- Dosen aus Aluminium. Die jeweilige „Quetschtaille“ scheint sehr stark von den Windungszahlen der Spulen abzuhängen. Interessant ist hierbei, dass die Quetschwirkungen der Spulen von 5,5 Windungen bis 10,5 Windungen stetig ansteigen. Bei 10, 5 Windungen werden die Dosen fast zerquetscht. Da der Getränkehersteller kurzfristig von Dosen auf Kunststoffflaschen umgestiegen ist, konnten leider keine Versuche mit 12,5 und 15,5 Windungen durchgeführt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Dosen bei spätestens 15,5 Windungen in zwei Teile zerrissen würden.
	Versuche mit Red Bull- Dosen ergaben erstaunlicherweise gänzlich andere Ergebnisse, obwohl auch diese aus Aluminium bestehen. Vergleicht man die Dosen miteinander, so stellt man eine annährend gleiche „Quetschtaille“ fest. Der geringe Verformungsgrad der Red Bull-Dosen lässt sich wohl durch die dünnere Materialstärke erklären, wodurch der elektrische Widerstand erhöht und somit der Induktionsstrom geringer ist. Dies hat eine geringere "Quetschkraft" zur Folge.

 

Verwendet man anstelle der eng gewickelten Kupferlackdrahtspulen Spulen, deren Wichlung etwas Abstand zur Dose haben, so werden die Dosen sehr gleichmäßig zerquetscht. Somit lassen sich sehr interessante, z.T. sogar sehr künstlerisch anmutende Exemplare Erzielen.
Durch mehrfache "elektromagnetische Impulsbehandlungen" an verschiedenen Stellen einer Dose ergeben sich Formen, die durch ihre gleichmäßige Rotationssymmetrie überzeugen.
Je nach Materialstärke muss man andere Windungszahlen verwenden, um die Eindringtiefe des Magnetischen Wechselfeldes ideal an das Material und dessen Resonanzfrequenz anzupassen.
Geht man beispielsweise von einer Entladefrequenz von kHz aus so ergibt sich eine magnetische Eindringtiefe von:

 

 

Kühlung der Dosen mit Flüssigstickstoff zur Reduzierung des ohmschen Widerstandes

Durch innere Kühlung der Dosen mit Flüssigstickstoff konnten die Dosen auf Temperaturen nahe -195 Grad Celsius herabgekühlt werden. Die daraus resultierende drastische Erniedrigung des elektrischen Widerstands erzeugt eine niederohmigere Gegeninduktivität (=Dose), wodurch die Spuleninduktivität erniedrigt wird. Dies kann den Verformungswirkungsgrad geringfügig erhöhen.

Befüllung einer Dose im Inneren mit Flüssigstickstoff	Äußere Kühlung einer Dose mit Flüssigstickstoff

Eine mit Flüssigstickstoff befüllte Dose, die einem Kurzplusmagnet-feld ausgesetzt wurde, wird nicht besonders zerquetscht, sondern in zwei Teile zerrisen. Es ist jedoch nicht genau geklärt, ob der LN2 hierbei eine Rolle spielt, oder die schlichte Anwesenheit von Flüssigkeit (siehe rechts).	Mit Wasser befüllte Dosen werden unabhängig von der Windungs-zahl der wendeten Spule in zwei Teile zerrissen. Das Wasser verhindert ein rasches Zusammenquetschen und begünstigt ein Zerreisen in zwei Teile.

Höchstwahrscheinlich hindert Flüssigkeit innerhalb der Dose diese am „Quetschvorgang“ , wodurch die magnetische Feldenergie über einen längeren Zeitraum „erhöhte Kräfte entfalten kann“, die die Dose schließlich zerreisen. Dennoch werden mit Flüssigstickstoff behandelte Dosen etwas heftiger zerrissen, was sowohl an dem geringeren elektrischen Widerstand, als auch an einer geringeren Duktilität (hervorgerufen durch die Kühlung) der Dosen liegen kann.

Durch die Versuche komme ich zu folgendem Fazit:

Die Effizienz des elektromagnetischen Umformverfahrens kann durch Kühlung der Werkstücke mit Flüssigstickstoff im wirtschaftlichem Rahmen nicht erhöht werden. Selbst bei sehr dünnen Materialien (z.B. Folien) ist es nicht rentabel den ohmschen Widerstand durch eine Kühlung (mit LN2 etc. ) zu erniedrigen, um die Gesamteffizienz zu erhöhen. Vielmehr ist es sinnvoller im Falle dünner Materialien mit höheren Enladefrequenzen zu arbeiten, um die magnetische Eindringtiefe in das zu verformende Material zu erniedrigen (vgl. Skineffekt; Theorie).