Fertigungsinduzierte Eigenschaften beim Stanzpaketieren von Stator-Blechpaketen (EFB 07/121)

Die weichmagnetischen Rotor- und Statorkerne elektrischer Antriebe werden zur Reduzierung von Eisenverlusten üblicherweise aus dünnen, elektrisch voneinander isolierten Einzelblech-Lamellen aufgebaut. Dabei übt neben den Eigenschaften der verwendeten Halbzeuge und der Blechdicke insbesondere das Verfahren zum Fügen der Lamellen einen Einfluss auf die mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Endprodukts aus. Ein Herstellverfahren, welches vor allem bei großen Stückzahlen eine wirtschaftliche Alternative darstellt, ist das Stanzpaketieren.

Im EFB-Projekt „Fertigungsinduzierte Eigenschaften beim Stanzpaketieren von Stator-Blechpaketen“ soll eine umfassende Betrachtung der Einflüsse aus Bauteildesign, Werkzeug- und Prozessparametern beim Stanzpaketieren erfolgen und ein Modell für die mechanischen Eigenschaften (insbesondere der Verbindungsfestigkeit) in Abhängigkeit von Designparametern und Prozessrandbedingungen abgeleitet werden. Die Erkenntnisse sollen in Form einer Handlungsempfehlung festgehalten werden. Darüber hinaus soll die Grundlage für eine Echtzeit-Überwachung der Verbindungsstellen durch eine KI-gestützte Analyse von Kraft-Weg-Kurven gelegt werden.

Motivation

Aufgrund zunehmend strengeren Anforderungen an Technologien bezüglich der Senkung von Treibhausgasemissionen steigt die Nachfrage nach energieeffizienten Elektromotoren. Insbesondere im Verkehrssektor wird eine Beschleunigung der Elektrifizierung auch durch politische Maßnahmen unterstützt, was dazu führt, dass der Anteil elektrisch betriebener Fahrzeuge unter den Neuzulassungen steigt. Damit elektrische Antriebe technologisch mit fossilen Kraftstoffen konkurrieren können, sind Fahrzeugbauer bestrebt, Reichweiten zu erhöhen, und gleichzeitig Gewicht und Bauraum für Antrieb und Energiespeicher zu reduzieren. Ein Schritt hierzu ist die Steigerung des Wirkungsgrads sowie die Erhöhung der Leistungsdichte von Elektromotoren, was zu verbrauchsärmeren Antrieben und einer Reduzierung des Gesamtgewichts führt.

Potenzial zur Optimierung elektrischer Antriebe bieten vor allem die Rotor- und Statorkerne, welche üblicherweise aus weichmagnetischen Materialien hergestellt werden, also Werkstoffen mit niedriger Koerzitivfeldstärke und hoher magnetischer Permeabilität. Zum Einsatz kommen hierfür vor allem Eisen-Silizium- und Kobalt-Eisen-Legierungen, die sich durch eine hohe Sättigungsinduktion und Magnetisierbarkeit auszeichnen, was von Bedeutung ist, um hohe Drehmomentdichten zu erreichen.

Die Eisenkerne von Rotoren und Statoren werden i.d.R. nicht massiv ausgeführt, sondern aus einzelnen, elektrisch voneinander isolierten Blechlamellen hergestellt, die zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten möglichst dünn ausgelegt werden.

Um die einzelnen Lamellen zu einem Blechpaket zu fügen, existieren verschiedene Verfahren. Eines davon ist das Stanzpaketieren. Dieses unterteilt sich im Anschluss an das formgebende Verfahren (üblicherweise ein Scherschneidprozess) in die Prozessschritte Prägen und Paketieren (siehe Abbildung 1). Der Wirkmechanismus beim Stanzpaketieren beruht auf einem Pressverband. Die Verbindungsfestigkeit entsteht, indem die zuvor geprägten Knüpfnoppen durch axiale Krafteinwirkung ineinander gepresst werden. Für Stanzpaketierprozesse sind sowohl bei NO-Elektroblech als auch bei CoFe bislang Blechdicken im Bereich 0,30 mm bis 0,35 mm (teilweise auch darunter) gängige Praxis.

[1] Prozessschritte des Stanzpaketierens (links) und exemplarische stanzpaketierte Bauteile (rechts)

Der Prozess ist bedingt durch eine Vielzahl an Stellgrößen (Schneidspalt, Prägetiefe, Gegenhalterkraft etc.) und Störgrößen (z. B. Verschleiß und Halbzeugschwankungen) sowie engen Toleranzbereichen äußerst komplex, sodass die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und den resultierenden magneto-mechanischen Eigenschaften bislang nicht ausreichend untersucht sind. Daher beruht die Prozessauslegung des Stanzpaketierens vor allem auf Erfahrungswissen.

Zielsetzung

Aktuell schränkt eine unzureichende Datengrundlage über die Prozessgrenzen beim Stanzpaketieren von Komponenten für elektrische Energiewandler die Produktivität ein. Die Berücksichtigung fertigungsinduzierter Eigenschaften bei der Produkt- und Prozessauslegung kann zu einer Optimierung der mechanischen und magnetischen Eigenschaften führen. Zudem können durch die Überwachung von Prozessgrößen echtzeitfähige Aussagen über den Knüpfnoppenzustand getroffen werden, was eine resiliente Prozessführung und somit eine Qualitäts- und Produktivitätssteigerung ermöglicht. Für das Forschungsvorhaben leiten sich daraus folgende übergeordnete Ziele ab:

  • Aufbau von Know-how hinsichtlich der Auslegung von Stanzpaketierwerkzeugen und der mechanisch paketierten Verbindung (Knüpfnoppendesign)
  • Optimierung der Prozesskette durch möglichen Verzicht auf eine Wärmebehandlung bei genauer Kenntnis über den Spannungszustand nach dem Fügevorgang sowie durch resiliente Prozessführung anhand der Überwachung von In-Prozess-Größen
  • Optimierung von elektrischen Energiewandlern durch Berücksichtigung fertigungsinduzierter Eigenschaften beim Produktdesign.

Dabei werden insbesondere zwei Fragestellungen adressiert:

1. Wie wirken sich fertigungsinduzierte Eigenschaften beim Stanzpaketieren von Rotor-/Stator-Blechpaketen auf die magneto-mechanischen Eigenschaften von elektrischen Komponenten aus?

2. Wie können diese Eigenschaften gezielt beeinflusst werden?

Vorgehensweise

Zur Beantwortung dieser Fragen ist eine modellbasierte Beschreibung der mechanischen und magnetischen Eigenschaften von stanzpaketierten Bauteilen nötig. Die im beantragten Vorhaben zu erarbeitenden Modelle zur Beschreibung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften stanzpaketierter Blechpakete auf Basis von Finite-Elemente-Berechnungen werden anhand von experimentellen Daten validiert. Dazu werden zunächst genormte Probering-Pakete analysiert. Mithilfe der validierten FE-Modelle werden anschließend Parameterstudien anhand einer realen Stator-Geometrie vorgenommen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden wiederum in Validierungsexperimenten abgesichert.

[2] : Mechanische Prozesssimulation des Paketierschritts (links) und Simulation des magnetischen Verhaltens eines Stanzpaketierten ringförmigen Bauteils (rechts)

Somit können Zusammenhänge zwischen der Verbindungsfestigkeit, den Prozessrandbedingungen (Werkzeugeinstellung, Hubgeschwindigkeiten, Material etc.) und den magnetischen Eigenschaften der Blechpakete (Wirbelstromverluste) abgeleitet werden. Als zentraler Arbeitsschritt soll ein Modell zur Beschreibung der mechanischen Verbindungsfestigkeit von Knüpfnoppen beim Stanzpaketieren entwickelt werden. Durch die Erfassung von Kraft-Weg-Signalen während des Prozesses in Kombination mit einer KI-gestützten Analyse lassen sich schließlich fehlerhafte Prozesszustände identifizieren und die Qualität der Verbindungsstelle prognostizieren. Hierbei gilt es, mithilfe von Machine Learning Ansätzen die erfassten Zeitsignale zunächst zu transformieren und daraus charakteristische Daten abzuleiten. Auf Basis dieser Kennwerte werden schließlich Regressionsmodelle zur Prognose der Verbindungsfestigkeit entwickelt.

Danksagung

Die hier dargestellten Forschungsarbeiten finden im Rahmen des IGF-Vorhabens Nr. N04434/21 der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) statt. Dieses wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ferner bedanken wir uns bei allen Industriepartnern, die das Forschungsprojekt „Stanzpaketieren“ unterstützen:

  • evopro systems engineering AG
  • FILZEK TRIBOtech
  • Fritz Stepper GmbH & Co. KG
  • Hans Berg GmbH & Co KG
  • Nidec SYS GmbH
  • SCALE GmbH
  • Schuler Pressen GmbH
  • Simufact Engineering GmbH
  • Thomas GmbH
  • thyssenkrupp Steel Europe AG
  • Vacuumschmelze GmbH & Co. KG
  • voestalpine Stahl GmbH
  • Zeller+Gmelin GmbH Co. KG
  • ZF Friedrichshafen AG