Mit dem aktuell und zukünftig steigenden Bedarf an Elektromotoren werden Fragestellungen zu deren ressourcenschonenden Herstellung und auch effizienteren Betrieb immer zentraler. Eine wichtige Stellgröße ist dabei die Vergrößerung des sogenannten Nutfüllfaktors. Zum einen können dadurch Maschinen kleiner dimensioniert oder bei gleicher Baugröße leistungsfähiger werden. Verschiedene Fertigungsmethoden können zur Herstellung von Spulen mit hohen Nutfüllfaktoren zur Anwendung kommen, bergen jedoch verschiedene Nachteile wie geringe Produktivität, hohen Energie- und Ressourcenbedarf sowie Einschränkungen in der geometrischen Gestaltungsfreiheit der Einzelwindungen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette zur umformtechnischen Herstellung von Spulen mit trapezförmiger Querschnittsgeometrie im Nutbereich entwickelt und analysiert. Ausgehend vom Stand der Technik und Wissenschaft werden die für die Funktion der Spule notwendigen Randbedingungen herausgestellt und verschiedene Herstellungsvarianten abgeleitet und bewertet. Nach Auswahl der Vorzugsvariante werden die Einzelprozessschritte durch FE-Umformsimulationen abgebildet und charakterisiert. Die Erkenntnisse fließen in die Konstruktion und Modifikation von Werkzeugen ein, mit welchen im Anschluss experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. Mit der Herstellung von Demonstratorspulen jeweils aus Kupfer und Aluminium werden die Umsetzbarkeit der entwickelten Prozesskette belegt und Gestaltungshinweise für Prozess und Werkzeuge abgeleitet.:Abbildungsverzeichnis IX Formelverzeichnis XIX Abkürzungsverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXV 1 Einführung und Motivation 1 2 Stand der Technik 5 2.1 Begriffe zur Spulentechnik 5 2.1.1 Allgemeine Erläuterungen zum Aufbau elektrischer Spulen 5 2.1.2 Elektrotechnische Kenngrößen 8 2.1.3 Nutfüllfaktor 11 2.1.4 Stromverdrängung und Wechselstromverluste 15 2.1.5 Restriktionen für den Statoraufbau 19 2.2 Relevante Herstellungsverfahren für Elektrospulen 23 2.2.1 Urformen 24 2.2.2 Umformen 26 2.2.3 Trennen 34 2.2.4 Fügen 35 2.2.5 Beschichten 39 2.2.6 Bewertung der Fertigungsverfahren und Fazit 40 2.3 Umformtechnische Prozessvarianten zur Erhöhung des Nutfüllfaktors 42 2.3.1 Grundlegendes 42 2.3.2 Verdichtung vorgewickelter Spulen 42 2.3.3 Formgebung von Einzeldrähten mit anschließender Wicklungserzeugung 51 2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik 59 3 Zielsetzung 61 4 Geometrisch-technologische Auslegungssystematik 63 4.1 Notwendige Herstellungsschritte 63 4.2 Mögliche Prozessketten und Auswahl einer Vorzugsvariante 64 4.3 Auslegung der Spulengeometrie via CoilCalculator 66 4.4 Geometrische Analyse ausgewählter Herstellungsschritte 71 4.5 Werkstoffphysikalische Einordnung 78 5 Numerische Simulation und Anpassung der Fertigungsfolge 83 5.1 Werkstoffcharakterisierung 83 5.2 FE-Analyse der gewählten Prozesskette 89 5.2.1 Sequenzielles Pressen 89 5.2.2 Biegen 101 5.2.3 Kalibrieren des Wicklungskopfes 106 5.3 Zwischenfazit der Simulationsergebnisse 120 6 Experimentelle Untersuchungen 123 6.1 Vorversuche 123 6.2 Sequenzielles Pressen 127 6.3 Biegen 139 6.4 Kalibrieren des Wicklungskopfes 143 6.5 Zwischenfazit der experimentellen Untersuchungen 150 7 Zusammenfassung und Ausblick 153 Literaturverzeichnis 157 Anlagenverzeichnis 173

In der vorliegenden Arbeit wird ein spanloses und umformendes Verfahren zur Erzeugung von Durchgangslöchern mit einer lokalen Dichteerhöhung untersucht. Der Ansatz beruht auf dem Fließlochformen aus der Metalltechnik. Im Bereich der Holztechnik findet dieser Ansatz noch keine Anwendung. Im Umfang der Arbeit werden für den Prozess relevante Grundlagen erläutert sowie die Prozesseinflussfaktoren für das Verfahren aufgedeckt und angepasst. Es werden Berechnungsansätze u. a. für die Abschätzung der auftretenden Axialkraft und der vom Dorn wirkenden Kräfte auf den Werkstoff aufgestellt. Es erfolgen Untersuchungen in statischen Versuchen ohne rotierenden Dorn und dynamische Versuche mit rotierendem Dorn. Untersuchte Einflüsse sind z. B. die Axialkraft, der Spitzenwinkel, die Rauheit, der Dorndurchmesser, der Einfluss des verdrängten Volumens, die Temperatur, die Dorndrehzahl und die Prozesszeit. Die aufgedeckten Einflüsse werden sukzessiv nacheinander untersucht und positive Einflussgrößen für die nachfolgenden Untersuchungen übernommen. Ebenso werden ausgewählte Auswirkungen in der praktischen Anwendung aufgezeigt.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177 / In the present work, a non-cutting and forming process for the production of through holes with a local density increase is investigated. The approach is based on flow drill technology from metal technology. This approach is not yet applied in the field of wood technology. In the scope of the work, fundamentals relevant to the process are explained, and process influencing factors for the process are uncovered and adjusted. Calculation approaches are used, e. g. for estimating the occurring axial force and the forces acting on the material from the mandrel. Static tests without rotating mandrel and dynamic tests with rotating mandrel are carried out. Influences investigated include axial force, point angle, roughness, mandrel diameter, influence of displaced volume, temperature, mandrel speed and process time. The revealed influences are successively investigated one by one and positive influence variables are adopted for the subsequent investigations. Likewise, selected effects in practical application are shown.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177