Jugend forscht 2006

Die unheimliche Kraft des Magnetismus:
Metallverformung durch Kurzpulsmagnetfelder

Ziel und Aufgabenstellung des Projekts
Ziel dieser Arbeit war es eine Apparatur zu konstruieren, mit der man Metalle durch kurze, gepulste Magnetfelder verformen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen industriellen Umformverfahren kann eine solche Verformung ohne jegliche Berührung erfolgen. Somit ist es z.B. möglich Metallformen für spezielle technische Geräte herzustellen, die unter "normalen Bedingungen", so nicht geformt werden könnten. Obwohl die Grundlagen für dieses Sonderverfahren bereits 1926 entdeckt wurden, hat es sich bis heute aufgrund der oft sehr großen Kondensatoren, die als elektrische Energiespeicher dienen, nicht durchsetzten können.
Ich habe mir in diesem Projekt vorgenommen ein möglichst kompaktes, funktionsfähiges Gerät zu entwickeln, dass in abgewandelter Form in der Industrie zur Metallverformung benützt werden könnte.
Außerdem habe ich die Tauglichkeit dieses Umformverfahrens unter Verwendung verschiedenartiger Versuchsaufbauten untersucht, um die physikalischen Grundlagen für eine maximale Effizienz herauszufinden. Ich konnte so z.B. Anordnungen finden, mit denen man Münzen aus Metallblechen herausstanzen oder Aluminiumdosen durch magnetische Felder zerquetschen kann. Meine erzielten Ergebnisse zeigen, dass dieses einzigartige Umformverfahren vielleicht in Zukunft auch in kleinem Maßstab eingesetzt werden könnte, um traditionelle Verfahren zu ersetzen.

Zusammenfassung der Forschungsergebnisse:
Fasst man die Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente zusammen, so können daraus folgende Schlüsse gezogen werden:

1.) Der „Verformungsgrad“ elektromagnetisch „behandelter“ Metallbleche hängt stark von der
gespeicherten Kondensatorenergie ab.

Die Effizienz der elektromagnetischen Metallverformung hängt stark ab von:

2.) der Ladespannung der Kondensatoren.
3.) der Frequenz des Entladekreises (aufgrund der Eindringtiefe des magnetischen Wechsel-
feldes)
4.) den magnetischen Eigenschaften (Suszeptibilität) der zu bearbeitenden Metallbleche.
5.) der Duktilität der zu bearbeitenden Metalle.
6.) der Materialdicke der zu bearbeitenden Metalle.
7.) dem Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Metall und der Werkspule.
8.) Der Einsatz von Flüssigstickstoff zur Kühlung der Metalle führt je nach Material zu einer
drastischen Erniedrigung des ohmschen Widerstandes. Besonders bei sehr dünnen
Metallblechen (z.B. Getränkedosen) kann dieses Phänomen ausgenützt werden um die
Eindringtiefe des magnetischen Wechselfeldes zu reduzieren. Somit lässt sich der
Wirkungsgrad der Verformung erhöhen.
Es gibt daher je nach Anwendung und Verformungsart viele verschiedene, von einander abhängende Parameter, die entsprechend angepasst werden müssen. Dies kann jedoch nur durch eine genaue Analyse und intensive Grundlagenforschung in diesem Bereich bewerkstelligt werden.