Crimpen mit der Elektromagnetischen Puls Technologie (EMPT)

Im Prinzip arbeiten die industriell eingesetzten mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Crimp-Anlagen nicht anders, nur die Press-Kräfte sind deutlich höher. Doch gerade bei großen Leitungsquerschnitten stößt die herkömmliche Technologie an Ihre Grenzen. Für moderne Antriebstechnologien, bei denen sehr hohe Ströme zwischen Akku und Elektromotor fließen, steht neben der Sicherheit auch der benötigte Bauraum im Vordergrund.

Und genau hier kommt die Elektromagnetische Puls Technologie (EMPT) zum Einsatz. Geringe Übergangswiederstände, sichere und robuste Crimp-Verbindungen, sowie eine Kompaktierung die ihres gleichen sucht, und dass in wenigen Mikrosekunden. Der Traum eines jeden Fahrzeugentwicklers ist nun Wirklichkeit.

Doch wie funktioniert die EMPT und was sind die größten Vorteile dieser Technologie?

Sie basiert vereinfacht auf dem Prinzip, dass sich entgegen gerichteter Ströme abstoßen. Ein Strom fließt im Werkzeug, der sogenannten Werkzeugspule. Sie induziert einen immer gegenläufigen Wirbelstrom in einem nahezu beliebigen Bauteil. Durch die Abstoßung zwischen diesen beiden Strömen entsteht bei der EMPT die Prozesskraft, welche vielfältig genutzt werden kann. Durch die Werkzeugspule wird aus einer Kondensatorbatterie variabler Größe, dem sogenannten Pulsgenerator, ein gedämpfter, sinusförmiger Strom getrieben. Der Maximalwert reicht von hundert Kilo Ampere oder weniger bis weit über ein Megaampère. Die Frequenz liegt üblicherweise im zweistelligen Kilohertzbereich. In dieser Größenordnung lassen sich innerhalb von Mikrosekunden erhebliche Kräfte auf das Werkstück ausüben, ohne dass ein mechanischer Kontakt besteht. Das System ist aus elektrischer Sicht ein gedämpfter Schwingkreis. Aufgrund der extrem kurzen Prozesszeitdauer ist der Energiebedarf der Anlage sehr gering.

Eine EMPT Anlage besteht immer aus einer zentralen Steuerung, der Hochspannungsquelle, den Kondensatoren, den Schaltern und der Werkzeugspule. Die speziellen Hochstromschalter sind üblicherweise direkt mit den Kondensatoren verbunden. Häufig besitzt jeder Kondensator einen eigenen Schalter, diese Einheit wird dann als Kanal bezeichnet. Prinzipiell kann ein Pulsgenerator eine beliebige Anzahl von Kanälen beinhalten, wodurch die Anlagen sehr flexibel einsetzbar und erweiterbar sind. Zwischen den Kanälen und der Werkzeugspule transportiert ein flexibles Stoßstromkabel den Strom verlustarm. Zu Beginn des Zyklus‘ werden die Kondensatoren von der Hochspannungsquelle auf die benötigte Ladespannung geladen. Sie wird so vorgegeben, dass eine voreingestellte Ladeenergie in den Kondensatoren zur Verfügung steht. Zu diesem Zeitpunkt sind die Hochstromschalter geöffnet, sodass die Werkzeugspule noch getrennt ist. Wenn die Ladespannung erreicht ist, wird die Ladestation von den Kondensatoren elektrisch getrennt und die Hochstromschalter werden synchron geschlossen. Der sinusförmige Entladestromverlauf klingt in typischerweise weniger als einer Millisekunde ab und der Zyklus beginnt sofort von neuem. Die Zykluszeit liegt, je nach Dimensionierung der Ladestation, bei etwa fünf Sekunden.

Durch die stoßartige Kompression der äußeren Hülse auf das innenliegende Kabel entsteht beim EMPT-Crimpen eine Druckwelle, die nach Innen läuft und das Kabel zusätzlich verdichtet. Eine solche EMPT-Crimpung zeichnet sich durch besonders geringe Übergangswiederstände und eine hervorragende elektrische, als auch mechanische Verbindung aus. Dadurch können die Hochvolt-Kabel in Elektro-Fahrzeugen mit einem niedrigeren Leitungsquerschnitt ausgelegt werden, bei gleichbleibender Leistung. Das ermöglicht leichtere und flexiblere Leitungen, was nicht nur Kosten spart, sondern auch Ressourcen schont und ungeahnte Gestaltungsfreiheiten in der Leitungsführung ermöglicht. Auch die Betriebskosten einer EMPT-Anlage sind sehr niedrig. Der Grund hierfür ist, dass die hohen Ströme nur während der angesprochenen kurzen Prozesszeit von wenigen 10 Mikrosekunden fließen. Der elektrische Energieinhalt eines durchschnittlichen Pulsgenerators entspricht nur in etwa dem von sechs AA Batterien. Anders als eine normale Batterie ist er jedoch in der Lage, diese Energie in wenigen Mikrosekunden abzugeben. Aufgrund des geringen Energieumsatzes ist außerdem die Kühlung der Komponenten unproblematisch, teilweise genügt die natürliche Konvektion.

Doch die EMPT wird nicht nur zum Crimpen von Hochvolt-Leitungen eingesetzt. Es lassen sich selbst härteste Aluminiumlegierungen verformen und sogar außergewöhnliche Materialkombinationen kalt verschweißen, wie z.B. Aluminium und Kupfer, was als Busbar ebenfalls im Elektromobil als Batteriezellverbinder zum Einsatz kommt. Dabei wird einer der beiden Fügepartner mit Schallgeschwindigkeit auf das zu verschweißende Material beschleunigt. Beim Aufprall findet durch einen Elektronenaustausch eine stoffschlüssige Schweißverbindung statt. Eine solche EMPT-Schweißung zeichnet sich durch die besonders robuste Verbindung und gleichbleibender Materialeigenschaften aus.