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Innovation bei EMAG eldec: Additive Fertigung sorgt für mehr Präzision bei der Induktionserwärmung

Induktoren für die Induktionserwärmung entstehen traditionell in einem anspruchsvollen Manufakturprozess. Trotz jahrelanger Erfahrung und großer Handwerkskunst derer, die diese präzisen Werkzeuge herstellen, stößt diese Herstellmethode an gewisse Grenzen. So weisen alle Produkte, die handwerklich hergestellt werden, grundsätzlich geringe Abweichungen auf. Auch wenn diese problemlos auszugleichen sind, bringen sie trotzdem immer wieder Korrekturen beim Werkzeugwechsel mit sich. Das kennt jeder Einrichter, im Übrigen auch in der Zerspanung. Ein weiterer limitierender Faktor ist die Größe des Induktors. Je kleiner und komplexer ein Induktor sein soll, umso komplizierter wird dessen Herstellung – bis zu dem Punkt, an dem diese handwerklich nicht mehr herstellbar sind. Dies war lange der Status quo, bis mit der additiven Fertigung ein neues Herstellungsverfahren entwickelt wurde, mit dem in ganz neue Dimensionen der induktiven Erwärmung vorgestoßen werden kann.

Optimaler Kühlmitteldurchfluss durch die additive Fertigung von Induktoren
Additive Fertigung im Induktorenbau
Montage der Induktorwindung an den Induktorfuß
MIND-L 1000 Induktionshärtemaschine von EMAG eldec

Gespannt blickt Dr. Dirk Schlesselmann, Bereichsleiter F&E Anwendungstechnik bei EMAG eldec, auf den Laser, der über das Pulverbett der Maschine flitzt. Aus dem Pulver formt sich nach und nach die Kontur einer Induktorwindung, der im SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) hergestellt wird.

„Das ist eine der spannendsten Neuerungen für mich“, erklärt Dr. Schlesselmann. „Ich kann mit nur einem Zwischenschritt von der Konstruktion direkt in die Herstellung einer Induktorwindung übergehen.“

In diesem Zwischenschritt werden die Maschinendaten für die additive Fertigung vorbereitet – das sogenannte Preprocessing. Nur durch eine korrekte Orientierung und Abstützung der Windung im Bauraum der Maschine kann eine optimale Oberflächenqualität, Maßhaltigkeit und Standzeit gewährleistet werden.

8-16 Stunden dauert die Herstellung einer Induktorwindung durchschnittlich. Anschließend muss das aus einer Kupferlegierung hergestellte Werkzeug einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die optimale elektrische Leitfähigkeit des Materials herzustellen. Danach wird die Windung an den Induktorfuß gelötet; das geschieht weiterhin manuell. „Danach kann der Induktor schon eingesetzt werden und ich kann erste Tests fahren. So ist es möglich, dass ich am Montag die vorbereiten Daten in die Maschine lade und mittwochs bereits die ersten Teile im Prüflabor testen kann. Das ist unschlagbar schnell“, erklärt Dr. Schlesselmann.

Additive Fertigung ermöglicht perfekten Kühlmittelfluss

Geschwindigkeit ist aber bei Weitem nicht der einzige Vorteil, den das neue Verfahren bietet, auch konstruktionsseitig bietet es ganz neue Möglichkeiten.

„Eine Herausforderung bei der Induktionserwärmung ist die optimale Kühlung des Induktors. Um diese Erwärmung und die damit verbundene thermische Ausdehnung im Werkzeug zu minimieren, fließt Kühlmittel durch die Induktoren. Nur so kann eine gute Lebensdauer sichergestellt werden. Durch die additive Fertigung sind wir jetzt in der Lage, Induktoren so zu konstruieren, dass wir einen optimalen Kühlmitteldurchfluss garantieren können“, erklärt Dr. Schlesselmann. Dafür setzt man bei EMAG eldec auf die Kombination von Ingenieurs-Expertise und numerischer Simulationssoftware. Mit der Software kann der Kühlmittelfluss berechnet und analysiert werden. Treten z.B. „tote Bereiche“ ganz ohne Kühlmittelfluss oder Verwirbelungen im Induktor auf, können diese Stellen durch gezielte Topologieanpassungen optimiert werden. Somit werden Hotspots beseitigt und ein gleichmäßiger und möglichst großer Durchfluss erreicht. Das SLM-Verfahren garantiert eine konstruktionstreue Umsetzung der Geometrie und damit auch eine perfekte Kühlleistung des Induktors.

„Diese hochpräzise Umsetzung der Konstruktionsdaten ist ein weiteres Plus dieses Verfahrens. Die Maßhaltigkeit der gedruckten und verlöteten Induktorwindungen ist viel besser gegenüber der handwerklichen Fertigung. Um die geforderte Maßhaltigkeit sicherzustellen, setzen wir 3D-Messarme ein. Damit ist sichergestellt, dass jeder Induktor das Haus in optimaler Qualität verlässt“, führt Dr. Schlesselmann weiter aus.

Neues Verfahren ermöglicht komplexe Geometrien

Neben den hier bereits aufgezählten Innovationen dieser Herstellungstechnologie denkt Dr. Schlesselmann auch noch an ein ganz anderes Highlight, wenn man ihn nach den Vorteilen der Technologie fragt:

„Zum ersten Mal sind wir bei der Konstruktion von Induktoren nicht durch die Limitationen im Herstellungsprozess begrenzt. Wir können nun Induktorgeometrien herstellen, die von Hand nicht möglich wären. Ich denke da vor allem an sehr kleine und filigrane Induktoren, die den Einsatz von Induktionserwärmung für ein ganz neues Werkstückspektrum eröffnen. Hier betreten wir zusammen mit unseren Kunden Neuland. Das ist wirklich spannend“, erklärt Dr. Schlesselmann.

Und dass das Verfahren wirklich so zuverlässig funktioniert, wie hier beschrieben, konnte man bei EMAG eldec in Feldversuchen mit ausgewählten Kunden bereits bestätigen. So weiß Dr. Schlesselmann zu berichten: „Wir haben bisher nur positive Rückmeldungen von unseren Kunden bekommen. In puncto Standzeiten können wir noch keine endgültige Aussage treffen, aber die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass mit SLM-Induktoren deutlich höhere Standzeiten erreicht werden können. Ein Kunde konnte mit einem additiv gefertigten Induktor bereits die doppelte Standzeit erreichen, ohne dass der Induktor Verschleißerscheinungen aufweist.“

Additive Fertigung als Teil des High Precision Tool System von EMAG eldec

Das neue Herstellungsverfahren ist Teil einer Qualitätsoffensive bei EMAG eldec, mit der man das Induktionshärten auf ein ganz neues Niveau heben möchte.

HPTS – High Precision Tool System nennt EMAG eldec dieses Bündel an Maßnahmen, mit dem man eine ganze Branche umkrempeln möchte.

„Begonnen hat alles mit der Konstruktion unserer neuen MIND L 1000 Induktionshärtemaschine“, erklärt Andreas Endmann, Leiter Vertrieb Härtesysteme bei EMAG eldec. „Die neue Maschine zeichnet sich durch einen sehr steifen Aufbau und damit eine besonders hohe Präzision aus. Etwa zur gleichen Zeit haben wir begonnen, mit der additiven Fertigung zu experimentieren, und uns war schnell klar, dass sich uns hier eine einzigartige Möglichkeit bietet, um das Induktionshärten auf ein ganz neues Qualitätsniveau zu heben. Um den Vorteil der steifen Maschinenkonstruktion und der hohen Präzision der Induktoren nicht durch einen ungenauen Einbau der Werkzeuge in die Maschine zu verlieren, haben wir einen komplett neuen Induktorfuss sowie eine entsprechende Induktoraufnahme für die Maschine konstruiert, das 3D-Coil Connect. Diese Neuerung, kombiniert mit der oben erwähnten 3D-Vermessung der gedruckten Induktoren, sorgt für einen kontinuierlichen hochpräzisen Induktionshärteprozess, ohne aufwendige Anpassungen beim Werkzeugwechsel vornehmen zu müssen. Das ist wirklich eine enorme Weiterentwicklung“, erklärt Andreas Endmann abschließend.

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