Fortschritt durch Einsatz einer Dosiereinheit
Die Funkenerosion ist eine bewährte Technologie zur Herstellung präziser Strukturen in schwer zerspanbaren Metallen. Die Qualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit wird vor allem durch die Art des verwendeten Dielektrikums bestimmt. Untersuchungen zeigen, dass die Präzision hergestellter Strukturen bei abnehmender elektrischer Leitfähigkeit des eingesetzten Dielektrikums steigt. Da gleichzeitig die Bearbeitungsgeschwindigkeit beeinflusst wird, muss die elektrische Leitfähigkeit auf den Bearbeitungsprozess abgestimmt werden. Durch den Einsatz einer neu entwickelten Hochleistungsdeionisiereinheit wird sowohl eine Effizienzsteigerung in Bezug auf Qualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt als auch aus ökonomischer Sicht eine nachhaltige Bearbeitung realisiert.
Energy-efficient and Cost-effective Spark Erosion Machining – Improved Performance with Incorporated Deioniser
Spark erosion machining is an important technology for shaping and patterning metals. The quality of finish and rate of machining are determined primarily by the nature of the dielectric material in question. Studies have shown that the precision of machining increases as the electrolytic conductivity of the water used in the process, decreases. Since, however this also causes the rate of machining to decrease, a compromise is called for in terms of the two parameters. Using a specially-designed mobile deioniser, improvements can be made both in terms of quality of finish and rate of machining as compared with present practice.
1 Grundlagen der Funkenerosion
Die Mikro-Funkenerosion, auch μ-EDM (Micro-Electro-Discharge Machining) genannt, ist ein thermisches Abtragverfahren bei dem elektrische Entladevorgänge zwischen zwei Elektroden, der Werkzeug- und der Werkstückelektrode, innerhalb eines Gasraumes stattfinden. Aufgrund ihres thermischen Wirkprinzips, welches eine nahezu prozesskräftefreie Bearbeitung unabhängig von Härte und Festigkeit des Werkstoffs ermöglicht, ist die Funkenerosion ein etabliertes Verfahren zur Erzeugung von Bohrungen.
Während des Erosionsvorganges ist der Arbeitsspalt zwischen Werkzeug- und Werkstückelektrode mit dem Dielektrikum gefüllt. Das Funkenereignis beginnt mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung an Werkzeug- und Werkstückelektrode und endet mit dem Zusammenbruch der entstandenen Gasblase. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des funkenerosiven Bohrprozesses.
Abb. 1: Schematische Darstellung des funkenerosiven Bohrprozesses
Abb. 2: Einzelentladungskrater und Mikrobohrung in hochlegiertem Stahlwerkstoff
Bei jeder Entladung wird ein mikroskopisch kleines Stoffvolumen abgetragen. Die makroskopische Formgebung des Werkstücks entsteht durch eine hochfrequente Aneinanderreihung vieler Einzelentladungen (Abb. 2). Es folgt eine negative Abformung der Werkzeugelektrode in das Werkstück.
In der Massenfertigung kommt die Funkenerosion zur Erzeugung von Mikrobohrungen in hochharten Werkstoffen zum Einsatz, insbesondere bei der Herstellung von Einspritzdüsen in der Automobilindustrie. Eine andere weit verbreitete Anwendung ist die Herstellung von Startlochbohrungen, welche für die Bearbeitung von Bauteilen mittels Drahterosion erforderlich sind.
2 Aufgaben des Dielektrikums beim Funkenerodieren
Der Erosionsvorgang findet zur Steigerung des Wirkungsgrades in einer dielektrischen Flüssigkeit statt. Diese besteht hauptsächlich aus Mineralöl- und Syntheseprodukten basierend auf Kohlenwasserstoffverbindungen oder deionisiertem Wasser [1]. Die Dielektrika unterscheiden sich in ihrer Kühl- und Spülwirkung. Verdampfungsvorgänge des wasserhaltigen Arbeitsmediums führen eine hohe Wärmeabfuhr herbei. Dies ermöglicht ein Arbeiten mit hohem Strom und kleinen Elektrodengeometrien. Des Weiteren weist Wasser gegenüber Kohlenwasserstoffdielektrikum eine wesentlich geringere Viskosität auf, wodurch eine optimalere Spülung des Arbeitsspaltes zu realisieren ist [2, 3]. Aus ökologischer Sicht stellt die funkenerosive Bearbeitung mit deionisiertem Wasser als Arbeitsmedium einen sauberen Prozess dar. Das Wasser kann nach der Aufbereitung wieder verwendet werden – eine aufwendige Entsorgung, wie beim Kohlenwasserstoffdielektrikum ist nicht notwendig.
Im Gegensatz wirkt der Einsatz von deionisiertem Wasser gegenüber Kohlenwasserstoffdielektrika restriktiv, da negative Auswirkungen auf den Erosionsprozess und somit auf das Bearbeitungsergebnis entstehen können. Die Kontamination des deionisierten Wassers mit Abtragpartikeln innerhalb des Arbeitspalts führt zu einer lokalen Steigerung des elektrischen Leitwerts σWasser. Dies hat eine Beeinträchtigung der Prozessstabilität zur Folge, wodurch es zu einem Abbruch der Erosionsbearbeitung kommen kann. Insbesondere in der Mikrofunkenerosion, bei der geringe Prozessänderungen erheblichen Einfluss auf das Ergebnis bewirken, sind konstante Bedingungen erforderlich, wie die Ergebnisse des nachfolgend beschriebenen Versuchs zeigen. Um dies zu verdeutlichen, wurden Mikrobohrungen mit unterschiedlich kontaminiertem Dielektrikum gefertigt und das Prozessverhalten beobachtet.
3 Einfluss der Qualität des Dielektrikums
Im Rahmen einer Untersuchung wurden 1 mm tiefe Bohrungen mit Hartmetallelektroden der Balzer-Technik SA/AG (Abb. 3), die einen Durchmesser del von 200 µm aufweisen, in CrNi18-8 Stahl erodiert und die Bearbeitungsergebnisse dokumentiert. Als Dielektrikum kam deionisiertes Wasser zum Einsatz, dessen elektrische Leitfähigkeit durch das Abrichten von Grafitelektroden variiert wurde. Die elektrische Leitfähigkeit des Dielektrikums ist während der Versuchsdurchführung mittels eines Konduktometers des Typs HND-C10S überprüft worden.
Abb. 3: Erosionsvorgang
Abb. 4: Einfluss der Dielektrikumskontamination auf die Erosionsdauer, den relativen Elektrodenverschleiß und die Funkenspaltweite
Bei den verwendeten Prozessparametern handelte es sich um prozesssichere Parameterkombinationen. Dadurch sollte verhindert werden, dass eine leichte Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Dielektrikums zu einem Abbruch des Erosionsvorganges führt. Abbildung 4 zeigt den Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit des Dielektrikums auf die Zielgrößen Funkenspaltweite sL, Erosionsdauer tero und den relativen Elektrodenverschleiß ϑ.
Mit Abtragpartikel kontaminiertes Dielektrikum kann beim funkenerosiven Bohren zu einer Steigerung der Abtragrate führen. Dies hat gleichzeitig eine Erhöhung des relativen Elektrodenverschleißes zur Folge. Die bessere Abtragrate ist auf Fehlentladungen zurückzuführen, die einen hohen Energieanteil aufweisen. Folglich entsteht daraus der größere Elektrodenverschleiß. Des Weiteren ergibt sich durch die höhere Leitfähigkeit des Dielektrikums eine Herabsetzung der Prozessstabilität, wodurch keine konstanten Erosionszeiten gewährleistet werden können.
Abbildung 5 zeigt REM-Aufnahmen von den entstandenen Mikrobohrungen, die mit unterschiedlich kontaminiertem Dielektrikum gefertigt wurden. Bei einem elektrischen Leitwert σWasser ≤ 1,5 µs/cm können die Bohrungen prozesssicher mit einer hohen Wiederholgenauigkeit gefertigt werden. Sie weisen am Ein- und Austritt klare Konturen sowie eine hohe Rundheit auf. Ab einem elektrischen Leitwert σWasser ≤ 3 µs/cm entstehen erste Korrosionserscheinungen an der Werkstückoberfläche. Eine weitere Steigerung des elektrischen Leitwerts σWasser führt zu vermehrtem Auftreten von Fehlentladungen innerhalb des Arbeitspalts, wodurch Formabweichungen an der Bohrungskontur entstehen. Ab einer elektrischen Leitfähigkeit des Dielektrikums σWasser ≥ 15 µs/cm entstehen Probleme beim Antasten der Elektrode auf dem Werkstück. Die Konturen der entstandenen Bohrungen sowie die Oberflächen des Werkstücks weisen erhebliche Korrosionserscheinungen auf. Des Weiteren erhöht sich der Anteil des elektrochemischen Materialabtrags, der zu weiteren erheblichen Schädigungen der Bohrungskontur führt.
Abb. 5: Mikrobohrungen, gefertigt mit unterschiedlich kontaminiertem Dielektrikum
4 Qualitätssteigerung durch Deionisation
Zur Gewährleistung einer prozesssicheren Anwendung der Funkenerosion, insbesondere bei Hochleistungsbauteilen wie beispielsweise Turbinenschaufeln für die Flugzeug- oder Energietechnik sowie für Common-Rail-Einspritzdüsen der Automobilindustrie, ist eine konstante Qualität des Dielektrikums erforderlich.
Bei marktüblichen Deionisiereinheiten wird das deionisierte entsalzte Wasser über ein geschlossenes System in einem Kreislauf zwischen Bearbeitungsbecken und dem Dielektrikumsaggregat geführt. Dabei werden das durch den Erosionsvorgang kontaminierte Dielektrikum über eine Filtereinheit, bestehend aus Anschwemmfilter, Kiesfilter oder Papierfilter, von Abtragpartikeln getrennt sowie die Ionen über eine Ionenaustauscher entfernt. Nach der Deionisierung entsteht vollentsalztes Wasser (VE-Wasser), welches einen elektrischen Leitwert σWasser von 2 µs/cm bis 50 µs/cm aufweist.
Die Gross Wassertechnik GmbH hat im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Kooperationsprojekts zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) eine Ionenaustauscheranlage speziell für die Anwendungen im Bereich der Mikrofunkenerosion entwickelt – die kompakte und mobile Deionisiereinheit GW-RD5.
Bei der Produktplanung wurden technische, wirtschaftliche und ökologische Aspekte berücksichtigt, welche der Wartungs- und Reparaturmöglichkeiten der Deionisiereinheit dienen. Die Auslegung der Hochleistungsdeionisiereinheit GW-RD5 erfolgte nach der VDI-Richtlinie 2221. Dabei sind die verbauten Komponenten, wie Pumpen-, Filter- und Ionentauschereinheit exakt aufeinander abgestimmt. Dies erfolgte durch den Aufbau von Versuchsständen, bei denen Durchströmungstests für geeignete Formen der Deionisierharzbehälter und Filterkomponenten durchgeführt sowie die hydraulischen Belastungen der Pumpentechnik überprüft worden sind. Analytische und experimentelle Untersuchungen beschleunigten die konstruktive Auslegung der Deionisiereinheit GW-RD5 sowie die Fertigung eines Prototypen (Abb. 6).
Abb. 6: Deionisiereinheit GW-RD5
5 Gewinn bei Qualität und Leistung
Erste Qualitätsprüfungen der Deionisiereinheit am Fraunhofer-IPK bestätigen eine konstante elektrische Leitfähigkeit des Dielektrikums σWasser ≤ 0,5 µs/cm. Weiterhin konnten die maximale Abtragleistung verbessert und die Prozessstabilität beim funkenerosiven Feinbohren erhöht werden.
Bei dem robusten Gehäuse der mobilen Deionisiereinheit handelt es sich um eine Kunststoff-Schweißkonstruktion bestehend aus Polyethylen. Für den universellen Einsatz der Deionisiereinheit sind Schlauchanschlüsse mit CPC-Kupplungen und Wasserstop als Schnittstellen verbaut worden. Dies ermöglicht den Einsatz und das Nachrüsten der Deionisiereinheit an allen gängigen Erodiermaschinen unabhängig vom Hersteller.
Nach Beendigung derzeit laufender Versuche am Fraunhofer-IPK, bei denen die Funktionsweise sowie der Einsatz der Deionisiereinheit GW-RD5 an unterschiedlichen Maschinensystemen geprüft wird, erfolgt der weltweite Vertrieb durch die Gross Wassertechnik GmbH.
Autoren
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF), TU Berlin; Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Produk-
tionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Berlin.
M. Sc. Dipl.-Ing. (FH) Tassilo-Maria Schimmelpfennig
Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Abteilung Mikroproduktionstechnik, Berlin; E-Mail: tassilo.schimmelpfennig@ipk.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Bernward Groß
Geschäftsführer der Gross Wassertechnik GmbH; E-Mail: bernward.gross@gross-wassertechnik.de
Literatur
[1] F. Klocke: Ferigungverfahren; 3. Auflage, Springer-Verlag, Aachen, 2007, S. 48
[2] B. König: Funkenerosive Schmiedegesenkherstellung mit wäßrigen Arbeitsmedien; Industrielle Gemeinschaftsforschung im IDS Nr. 29, Hagen, 1992
[3] F. Siebers: Funkenerosives Senken mit wässrigen Arbetsmedien; RWTH Aachen, Aachen, 1994, S. 5, 17ff
DOI: 10.7395/2013/Schimmelpfennig1
