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Dokumentenidentifikation DE102004057527B4 21.06.2007
Titel Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks und Elektrode für ein solches Verfahren
Anmelder Fruth, Carl Johannes, 92331 Parsberg, DE
Erfinder Fruth, Carl Johannes, 92331 Parsberg, DE
Vertreter KRAMER - BARSKE - SCHMIDTCHEN, 81245 München
DE-Anmeldedatum 29.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004057527
Offenlegungstag 10.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse B23H 9/00(2006.01)A, F, I, 20060209, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23H 3/04(2006.01)A, L, I, 20060209, B, H, DE   C25F 7/00(2006.01)A, L, I, 20060209, B, H, DE   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks durch Elysieren. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines in einem elektro-chemischen Bearbeitungsverfahren als ECM-Elektrode zu verwendenden Werkzeugs, das zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstückes bestimmt ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Elektrode, die zur Verwendung in einem Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks bestimmt ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Zum Bearbeiten von Werkstücken und insbesondere zur Herstellung einer bestimmten Werkstückoberfläche sind allgemein abtragende Verfahren wie Fräsen oder Drehen bekannt. Ein Problem bei diesen Abtragungsverfahren ist, dass kleine und komplizierte Werkstückoberflächen nicht oder nur relativ unwirtschaftlich herstellbar sind.

Für spezielle Anwendungen ist darüber hinaus das Abtragen von Material mittels Funkenerosion, Elysieren oder durch Metallätzen bekannt. Diese drei Verfahren haben gemeinsam, dass elektrischer Strom für den gewünschten Materialabtrag am Werkstück verantwortlich ist. Alle drei vorgenannten Verfahren finden in flüssigen Wirkmedien statt.

Bei der Funkenerosion findet ein Materialabtrag oder eine Materialwanderung zwischen elektrisch leitenden Kontakten statt. Die Elektroden sind das formgebende Werkzeug und das zu bearbeitende Werkstück. Die Funken in einem Erosionsspalt stellen zeitliche und örtliche UP:UP Entladungen dar, deren Wirkung auf der Werkstückoberfläche durch Abtragstrichter und Abtragskrater gekennzeichnet sind. Die mit einem Puls- oder Relaxationsgenerator betriebenen Maschinen können die Verfahren des Senkens, Drahterodierens, Schleifens oder Sägens realisieren. Elektroden für das Funkenerosionsverfahren werden heutzutage durch Fräsen von Graphit oder Kupfer hergestellt, da diese Materialien ein für die Funkenerosion günstiges Abbrandverhalten zeigen. Andere Materialien sind hierfür nur sehr bedingt geeignet.

Nachteilig bei der Funkenerosion ist allerdings, dass die Elektroden einem Materialverschleiß unterliegen und das Bearbeiten eines Werkstücks lange dauert und damit teuer ist. Entsprechend wird dieses Verfahren nur bei ganz speziellen Werkstücken angewendet. Eine wirtschaftliche Serienbearbeitung von Werkstücken ist eher nicht realisierbar.

Bei dem sogenannten Elysieren, das auch als elektro-chemisches Milling (ECM-Verfahren) bezeichnet wird, handelt es sich um eine elektro-chemisches Bearbeitungsverfahren, bei dem unter Einfluss einer Gleichspannung in wässrigen Lösungen von Salzen oder Säuren als Elektrolyten Metallatome der Anode – also des Werkstückes – in Lösungen gehen. Es ist die Umkehrung der Galvanisierung. Der zwischen Werkstück und Werkzeug fließende Gleichstrom formt bei diesem Verfahren durch Herauslösen von Werkstoffpartikeln das Werkstück zu der vorgegebenen Gestalt. Zur Geometriebestimmung wird ein Elektrolyt durch eine isolierte Düse auf eine Geschwindigkeit bis 30 m/s gebracht und erreicht bei Stromdichten von 250 A/cm2 sehr hohe Abtragungsraten. Es lassen sich insbesondere Werkstückgeometrien und -oberflächen mit Rauhigkeiten bis herab zu Rt = 0,5 &mgr;m bei Gradfreiheit erzielen. Kennzeichnend ist bei diesem Elysieren, dass sehr hohe Abtragungsgeschwindigkeiten und Feinheiten erreicht werden können. Wie bereits zuvor angedeutet, ist in dem Verfahren das zu bearbeitende Werkstück eine Elektrode, die andere Elektrode ist das Werkzeug, das die gewünschte Formgebung an dem Werkstück besitzt, so dass der gewünschte entsprechende Abtrag am Werkstück erfolgt. Bisher wurde das Elysieren oder ECM-Verfahren oftmals nur bei ganz speziellen Bauteilen eingesetzt, insbesondere zum effektiven Entgraten von metallischen Serienbauteilen bzw. zur Oberflächenglättung von beispielsweise Turbinenschaufeln. In letzter Zeit wurde auch daran geforscht, dieses Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen und sehr präzisen Ministrukturen einzusetzen.

Die Verwendung des ECM-Verfahren nur für spezielle Bauteile liegt darin begründet, dass zum einen eine sehr gute Spülung notwendig ist, um den Abtragungsprozess aufrecht zu erhalten, zum anderen werden im gesamten Spalt zwischen dem als Elektrode wirkenden Werkzeug und dem zu bearbeitenden Werkstück Metallionen aus dem Werkstück proportional vom Stromfluss – im Regelfall proportional zum Spaltabstand – abgetragen, wodurch nicht immer die erforderliche Genauigkeit erreicht wird. Darüber hinaus sind tiefe Schlitze oder ähnliche Geometrien in Werkstücken mit den bisherigen Elektroden für das Elysieren kaum möglich, da die notwendigen Spülkanäle nicht oder nur mit erheblichem Aufwand eingebracht werden können. Für weitere Informationen zum Elysieren von Werkstücken wird beispielsweise auf folgende Druckschriften verwiesen: CH 538 906 A, DE 199 59 593 A1, DE 1 813 017 A, DE 1 765 890 B.

Ergänzend ist auf das sogenannte PEM-Verfahren hinzuweisen, das eine Adaption des klassischen elektro-chemischen Verfahrens ist. Dieses Verfahren ist von der Firma PEM Technologiegesellschaft für elektro-chemische Bearbeitung mbH/Deutschland entwickelt worden. Bei der PEM-Technologie handelt es sich um eine modifizierte Variante des zuvor erläuterten ECM-Verfahrens und ist damit unter der Gattung ECM-Verfahren bzw. Elysieren oder allgemein elektro-chemisches Bearbeiten zu subsumieren. Die PEM-Technologie setzt auf der direkten und weitgehenden proportionalen Abhängigkeit von Spaltabstand zwischen Elektrode und Werkstück und damit erzielbaren Geometrie- oder Oberflächengenauigkeiten auf. Die notwendige Spülung des Spalts mit frischem Elektrolyt lässt sich bei Spalten um 10 &mgr;m nicht mehr realisieren. Entsprechend stellt dieser Spaltabstand die Grenze für das klassische EMC-Verfahren dar. Da also ein gleichzeitiges Abtragen und Spülen bei dem klassischen ECM-Verfahren nicht möglich ist, schaltet man bei dem PEM-Verfahren die beiden Vorgänge hintereinander. Ein Abtragen findet bei engstmöglichem Spalt statt, das Spülen des Spaltes bei größtmöglichem Spalt (mehrere zehntel Millimeter). Das führt zu einer oszillierenden Elektrodenbewegung. Bei dem PEM-Verfahren sind etwa 50 Hz realisiert. Das heißt, durch die Veränderung der Spaltweite können präzisere Oberflächengenauigkeiten erzielt werden. Es handelt sich also grundsätzlich um ein Senkerosionsverfahren mit vibrierender Elektrode. Zwischen Elektrode und Werkstück wird – wie zuvor bezüglich des ECM-Verfahrens beschrieben – eine Gleichspannung angelegt, wodurch sich das Werkstück entsprechender Geometrie der nachfahrenden Elektrode auflöst. Es entstehen Bauteile mit beliebig komplizierten geometrischen Formen in nahezu allen elektrisch leitenden Metallen, wie z.B. hochvergüteten Stählen, Wälzlagerstählen, pulver-metallurgischen Stählen sowie Superlegierungen (z.B. Nickelbasis-Legierung).

Mit dem PEM-Verfahren erschließt sich damit der Zugang zur Applikation, die mit den bekannten Verfahren der Funkenerosion oder dem klassisch elektro-chemischem Abtragen bislang nicht oder nicht wirtschaftlich hergestellt werden können.

Die für die Durchführung des ECM-Verfahrens und des PEM-Verfahrens notwendigen Elektroden werden bisher mit klassischen Verfahren wie Fräsen, Erodieren oder Ätzen hergestellt.

In der US 5,398,193 ist ein Rapid Prototyping Verfahren offenbart, bei dem nach Erzeugen einer einzelnen Schicht in einer Rapid Prototyping Anlage die Kontur der Schicht beispielsweise dadurch bearbeitet wird, dass Material abgetragen wird. Hierzu werden eine Reihe von Abtragungsverfahren genannt, u.a. auch ein elektro-chemisches Bearbeiten. Es ist aber festzustellen, dass eine solche Anlage äußerst kompliziert und in der Praxis kaum realisierbar ist, da das Abtragen während des schichtweisen Aufbaus des Werkstücks erfolgt.

Die US 4,752,366 offenbart eine Kathode zum elektro-chemischen Bearbeiten. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Kathode einen Schichtaufbau besitzt, in dem sich Schichten aus leitfähigem und nicht leitfähigem Material abwechseln. Die Dicke und der Abstand der verschiedenen Schichten sollen so sein, dass ein übermäßiges Abtragen an der Werkstückoberfläche verringert wird.

In der EP 0 649 695 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Elemente wie beispielsweise Elektroden für EDM-Bearbeitungsverfahren, also Funkenerosion, offenbart. Diese EDM-Elektroden sollen vorzugsweise einen Elektrodenkörper haben, der in Schichtbauweise erstellt ist. Auf diesen Körper wird eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufgebracht. Es ist ergänzt angemerkt, dass eine solche Elektrode auch unter Umständen als ECM-Elektrode verwendet werden kann.

Eine Elektrode zur Durchführung einer Funkenerosionsbearbeitung wird auch in der JP 58004314 A offenbart. Die Elektrode wird dadurch hergestellt, dass zuerst eine Form mittels Stereolithographie hergestellt wird. Dann wird in der so erzeugten Matrix die Oberfläche metallisch beschichtet. In die so hergestellte Gießform wird flüssiges Metall eingefüllt. Nach Erhärten des Metalls wird die so hergestellte Elektrode ausgeformt.

In der US 5,818,005 ist ein Rapid Prototyping Verfahren zum Herstellen einer EDM-Elektrode offenbart. So werden Formteile mit der Form der EDM-Elektrode, also eine Funkenerosionselektrode, unter Verwendung von Rapid Prototyping Technologie hergestellt. Die so erzeugten Formteile werden zusammengebaut und in diese Formteile wird ein flexibles Material eingegossen, um eine flexible Form zu erzeugen. Die flexible Form wird dann mit elektrisch leitfähigem Pulver aufgefüllt und das Pulver wird isostatisch kalt verpresst, sodass es sich verfestigt und die EDM-Elektrode bildet.

Die EP 1 163 967 A2 zeigt schließlich eine EDM-Elektrode für die Bearbeitung mittels Funkenerosion. Die geschichtet aufgebaute Elektrode umfasst abwechselnd Schichten, die leitfähig sind und Schichten, die weniger leitfähig sind. Sowohl die leitfähigen Schichten als auch die weniger leitfähigen Schichten sind mit einem Isolierfilm überzogen. Dadurch soll die Leitfähigkeit in einer Richtung parallel zu den niedrig leitfähigen Schichten höher sein als in einer Richtung senkrecht zu den niedrig leitfähigen Schichten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein ECM-Verfahren bereitzustellen, mit dem präzise metallische Werkstücke und Werkzeuge in einfacher Weise kostengünstig und in sehr kurzer Zeit hergestellt werden können. Ein weiteres technisches Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein Herstellungsverfahren für ECM-Elektroden zur Verwendung in einem ECM-Verfahren bereitzustellen, das eine kostengünstige Fertigung der ECM-Elektroden erlaubt und insbesondere die Herstellung von bisher nicht realisierbaren Oberflächenstrukturen und Genauigkeiten an solchen Elektroden zulässt. Außerdem ist eine kostengünstige und auch beliebig gestaltbare ECM-Elektrode bereitzustellen.

Das eingangs genannte technische Problem wird durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, bei dem eine ECM-Elektrode als Werkzeug eingesetzt wird, die in RP-Technologie aus einer Vielzahl von Schichten aus einem leitfähigen Material aufgebaut ist, deren jeweilige Konturen zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden. In diesem erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahren wird ein metallisches Werkstück anodisch kontaktiert und die spezielle ECM-Elektrode, die aus in RP-Technologie erstellten Schichten aus leitfähigem Material besteht, gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks derart angeordnet, dass ein Spalt verbleibt. Die spezielle ECM-Elektrode wird kathodisch kontaktiert und ein leitfähiges Medium wird in den Spalt gebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück erfolgt.

Ein Alternative des zuvor genannten erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Herstellen in RP-Technologie in Schichtbauweise sowohl des Werkstücks als auch des als ECM-Elektrode dienenden Werkzeugs.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform der zuvor genannten erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Herstellen der Elektrode oder des Werkstücks in Schichtbauweise zumindest ein Kanal erzeugt, der zur Außenseite der Elektrode bzw. des Werkstücks führt, um ein leitfähiges Medium beim Benutzen der Elektrode bzw. des Werkstücks in dem ECM-Verfahren in einen Arbeitsspalt zwischen Elektrode und Werkstück zuzuführen oder dieses durch den Kanal absaugen zu können.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer ECM-Elektrode, die in einem ECM-Verfahren zu verwenden ist. In diesem Verfahren wird die ECM-Elektrode mittels RP-Technologie in Schichtbauweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, wobei hierbei eine für das Abtragen des Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur erzeugt wird.

Eine erfindungsgemäße ECM-Elektrode zur Verwendung in einem ECM-Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks umfasst einen Elektrodenkörper, der aus einer Vielzahl von in RP-Technologie erstellten, aufeinander liegenden Schichten aus leitfähigem Material besteht, deren jeweilige Kontur zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die für völlig andere Einsatzgebiete bekannten Rapid-Prototyping-Technologien zum schichtweise Aufbauen eines metallischen Körpers mit komplizierten Oberflächenstrukturen mit dem ECM-Verfahren zu verknüpfen. Erstmals können präzise metallische Werkstücke und Werkzeuge in einfacher Weise kostengünstig und in sehr kurzer Zeit hergestellt werden. Insbesondere sind erstmals Elektroden zur Verwendung in ECM-Verfahren mit bisher nicht realisierbaren Oberflächenstrukturen und Genauigkeiten herstellbar. Damit sind auch die bisherigen ECM-Verfahren für völlig neue Werkstückbearbeitungen einsetzbar. Durch die genauere und kostengünstige Herstellung von ECM-Elektroden in Schichtbauweise entsprechend den an sich für andere Einsatzgebiete bekannten schichtaufbauenden Rapid-Prototyping-Technologien können damit auch komplizierte Werkstücke in den genannten ECM-Verfahren wirtschaftlich erzeugt werden. Insbesondere weil die Elektroden in den ECM-Verfahren keinem Verschleiß unterliegen, kommen die besonderen Vorteile des Schichtaufbaus der Elektroden nunmehr auch bei größeren Serienanfertigungen von Werkstücken mit komplizierten und hohe Genauigkeiten aufweisenden Oberflächen zum Einsatz.

Insbesondere ist aus auch erstmals möglich, in den Elektroden für das ECM-Verfahren oder auch in den Werkstücken, die schichtweise aufgebaut sind, und mittels eines ECM-Verfahrens zu bearbeiten sind, Spül- und/oder Absaugkanäle vorzusehen. Es können insbesondere auch äußerst komplizierte Spül- und/oder Absaugkanalsysteme in den Elektroden (also dem Werkstück und/oder dem Werkzeug für des ECM-Verfahren) hergestellt werden. Ein Spül- oder Absaugkanalsystem umfasst hier mehrere Kanäle, die zu verschiedenen Stellen an der Oberfläche der Elektroden führen und eine gezielte Zu- oder Abführung von Elektrolyt erlauben.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorgeschlagene Kombination von ECM-Verfahren und einem Schichtaufbau von Elektroden mittels Rapid-Prototyping-Verfahren schnelle und automatisierbare Systeme zur Herstellung von komplizierten Werkstücken realisieren lassen. Es können hohe Genauigkeiten und komplexe Strukturen an den Werkstücken erzielt werden. Insbesondere sind auch sehr glatte, d.h. geringe Rauhigkeiten aufweisende Bauteile wirtschaftlich herstellbar. Insbesondere ist auch jeder metallische Werkstoff als Werkstoff einsetzbar. Es gibt grundsätzlich keine großen Beschränkungen und es sind beliebig viele Kopien von Werkstücken produzierbar. Erstmals kann auch eine Optimierung der Spülung im ECM-Verfahren für das Elektrolyt realisiert werden. Wie bereits zuvor erläutert, ist insbesondere auch die eingangs genannte PEM-Technologie mit den vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Spülung bzw. ein Absaugen des Elektrolyten im Wechsel erfolgen. Es können in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform alternativ nur für das Zuführen bestimmte Kanäle oder Bohrungen und nur für das Absaugen bestimmte Kanäle oder Bohrungen vorhanden sein.

Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass die Beaufschlagung mit Ultraschall bei der Metall-Ionenabtragung überlagert wird, um beispielsweise die Spülwirkung zu erhöhen.

Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass mit Vibrationen in unterschiedlichen Wirkrichtungen gearbeitet wird, um wiederum die Spülwirkung zu erhöhen oder die Genauigkeit des Materialabtrags am Werkstück zu erhöhen. Damit könnten komplizierte spezifischen Formen wie Schraubgewinde, Hinterschneidungen, Eindrehungen oder auch Schiebergeometrien hergestellt werden.

Es ist mittels der erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere möglich, mehrere Werkstücke aus gleichen oder unterschiedlichen Metallen gleichzeitig im ECM-Verfahren zu bearbeiten.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Bearbeitung in einem ECM-Verfahren von mehreren Werkstücken in einer ersten Stufe getrennt erfolgen, wie beispielsweise ein konturnahes Elysieren, und in einer zweiten Stufe erfolgt ein gemeinsames Bearbeiten der mehreren Werkstücke, z.B. ein Elysieren zur Erzielung einer bestimmten Kontur an beiden Bauteilen.

Die für die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommenden Schichtaufbauverfahren in Rapid-Prototyping-Technologie können metallische Werkstücke erzeugende Verfahren sein. Verfahren zum Erzeugen von metallischen Bauteilen können beispielsweise folgende Verfahren sein: DMLS der Firmen EOS und MCP, IMLS der Firma 3D Systems, Lasercusing der Firma Konzeptlaser, Laserschmelzen der Firma Trumpf, Electron Beam Melting der Firma Arcam und Electron Beam Sintering sein.

Erfindungsgemäße Elektroden können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hohl sein und/oder eine spezielle Füllung besitzen. Die Füllung kann insbesondere ein leitfähiges Gewebe oder Pulver sein, um die Übertragung hoher Stromstärken zu ermöglichen.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können erfindungsgemäß Elektroden auch eine innere Raumgitter- oder Sinterstruktur haben oder auch in Schalen aufgebaut sein. Insbesondere sind auch mehrteilig aufgebaute Elektroden zur mehrstufigen Bearbeitung möglich. Der erfindungsgemäße Aufbau von Elektroden zur Verwendung in ECM-Verfahren ermöglicht auch unterschiedliche Strukturbereiche an Elektroden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im Folgenden sind zur besseren Erläuterung und Verständnis mehrere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 die verschiedenen Schritte I–IV eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks mit in Schichtbauweise hergestellter Elektrode;

2 ein Detail des Verfahrensschrittes IV gemäß 1;

3 eine der 2 ähnliche Schnittansicht einer Elektrode und eines Werkstücks, wobei die Elektrodenform gegenüber der 2 abgewandelt ist;

4 eine den 2 und 3 gleichende Schnittansicht eines Werkstücks und einer Elektrode, wobei die Elektrode gegenüber den Darstellungen in den 2 und 3 mit einer Metallschicht versehen ist;

5 eine mehrteilige Elektrode für das ECM-Verfahren, deren Teile aus verschiedenen Materialien bestehen;

6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hohlen Elektrode für das ECM-Verfahren;

7 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Spül- und Saugkanälen für das ECM-Verfahren;

8 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM-Verfahren, die hohl aufgebaut ist und in einem leitfähigen Werkstoff eine Füllung besitzt;

9 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Elektrode für das ECM-Verfahren, die hohl aufgebaut ist und eine leitfähige Beschichtung sowie eine Füllung besitzt;

10a)–h) verschiedene Oberflächenstrukturen von erfindungsgemäßen Elektroden;

11 eine Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Elektrode;

12 eine in einer schichtweise aufgebauten Gussform hergestellte Elektrode für das ECM-Verfahren;

13 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Elektrode für das ECM-Verfahren, die durch Guss in einer in Schichtbauweise hergestellten Gussform geformt ist,

14 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfassend eine Elektrode zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei oder mehr Werkstücken,

15 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfassend zwei Elektroden zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei verschiedenen Bereichen eines Werkstücks.

BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert. Das hierbei eingesetzte Stereolithographie-Verfahren ist rein beispielhaft und ist für die Herstellung erfindungsgemäßer ECM-Elektroden durch andere Schichtbauverfahren, die Schichten aus leitfähigem Material erzeugen, zu ersetzen.

Wie im Teilschritt I der 1 gezeigt ist, wird in an sich bekannter Weise in einer RP-Maschine (Rapid Prototyping) in einem flüssigen Kunststoffad 11 ein Elektrodenkörper 1 schichtweise aufgebaut. Hierzu wird mittels eines Lasers 15, der in der in 1 dargestellten Ansicht sowohl in der Horizontalebene verfahrbar ist als auch höhenverstellbar ist, der gewünschte Querschnitt einer Schicht 3 des Elektrodenkörpers 1 erzeugt. Dazu wird der Laser 15 entsprechend der gewünschten Kontur in der Horizontalebene verfahren und durch entsprechendes Belichten ein teil der Kunststoffschicht 13 des flüssigen Kunststoffs 11 belichtet und damit ausgehärtet. Somit lassen sich beliebige Konturen und Schichtformen 3 erzeugen.

Sobald die gewünschte Schicht 3 geschaffen ist, wird der schon belichtete und ausgehärtete Kunststoffteil nach unten abgesenkt und zwar um die neue gewünschte Schichtdicke. Die neue flüssige Kunststoffschicht 13 oberhalb der obersten Schicht 3 wird wiederum belichtet und dadurch gehärtet. Dadurch entstehen beliebig konturierbare und eventuell mit Öffnungen etc. versehene Schichten 3, die zusammen einen Elektronenkörper 1 bilden. Wie in der

1/I gezeigt, kann somit eine Elektrode 1 auf verschiedenen Seiten verschiedene Konturen 5 und 9 erhalten.

Dieser im Stereolithographie-Verfahren schichtweise aufgebaute Elektrodenkörper 1 besteht bei dem genannten Beispiel aus Kunststoff. Gemäß der Erfindung ist der Elektrodenkörper 1 aber aus einem leitfähigem Material schichtweise erzeugt. Für die Schritte II–IV ist davon auszugehen, dass der Elektrodenkörper 1 elektrisch leitfähig ist. Im Schritt II ist die Elektrode 1 mit einem elektrischen Anschluss 17 versehen, der über ein Kabel 19 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Ein Werkstück 21 ist ebenfalls mit einem Anschluss 23 versehen und über ein Kabel 25 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Das Werkstück 21 bildet hier die Anode, das Werkzeug, also die Elektrode 1 die Kathode. Diese Anordnung befindet sich in einer an sich bekannten ECM-Maschine oder einer PEM-Maschine.

Im Schritt III wird ein Elektrolyt 32 über eine Düse 33 in einen Arbeitsspalt 50 zwischen dem Elektrodenkörper 1 und dem Werkstück 21 über einen Zwischenraum 32 eingeführt. Hierdurch erfolgt der gewünschte Materialabtrag am Werkstück 21. Für weitere Details hierzu wird auf die an sich bekannten Arbeitsweisen von ECM-Maschinen oder PEM-Maschinen verwiesen.

Wie im Schritt IV gezeigt, wird nun nach und nach unter Höhenverstellung der Elektrode 1 und/oder des Werkstücks 21 eine gewünschte Aushöhlung 35 im Werkstück 21 erzeugt. Diese Aushöhlung 35 kann dann entsprechend der durch die Schichtbauweise erzeugten Außenkontur des Elektrodenkörpers 1 eine gewünschte definierte Kontur erhalten.

In der 2 ist eine Detailansicht des Verfahrensschrittes IV der 1 gezeigt. Wie hieraus deutlicher wird, strömt das Elektrolyt 32 auf einer Seite ein, wandert durch den Arbeitsspalt 50 und wird wieder aus der Aushöhlung 35 herausgeführt. Eine Materialabtrag erfolgt im Wesentlichen im Arbeitsspalt 50. An den Seiten 3 und 5 des Elektrodenkörpers 1 erfolgt im Wesentlichen keine Abtrag.

Die Darstellung in der 3 entspricht im Wesentlichen der 2. Es ist lediglich die Form der Elektrode 1 geändert. Hier weist ein vorderer Teil Schichten mit einer Schichtdicke 3' auf, der hintere Teil, der den Stiel bildet, umfasst dickere Schichten 3. Diese Elektrodenform kann bei der Bearbeitung des Werkstücks 21 Vorteile haben, da dann sichergestellt ist, dass tatsächlich an den Seiten 3 und 5 kein Materialabtrag erfolgt.

Wie bereits eingangs erläutert, zeigt die 4 eine grundsätzlich der Darstellung der 2 und 3 gleichende Ansicht. Hier besteht die nicht erfindungsgemäße Elektrode aus einem Elektrodenkörper 1 und einer Beschichtung 2. Der Elektrodenkörper 1 kann hier wiederum aus Kunststoff bestehen, die Beschichtung 2 ist eine Metallbeschichtung. Sie kann beispielsweise aufgedampft oder durch Lackieren auf den Elektrodenkörper 1 aufgebracht sein. Das Aufbringen der Metallschicht 2 durch Galvanisieren oder dergleichen ist auch möglich.

In der 5 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode gezeigt. Hier besteht die Elektrode 1 aus zwei Teilen 1a und 1b. Der Elektrodenkörper 1a ist in dem Elektrodenkörper 1b eingesetzt. Beide bestehen aus in Schichtbauweise erstellten Sinterkörpern. Die Porosität der Teile 1a und 1b ist hier unterschiedlich. Am Elektrodenkörper 1a ist ein Anschluss 17 für den Strom und eine Elektrolytzuführung 22 vorhanden. Über diese Elektrolytzuführung 22 wird das Elektrolyt 32 in den Sinterkörper 1a der Elektrode eingebracht und strömt durch die höhere Porosität in dem Teil 1b aus dem Elektrodenkörper 1 heraus. Wie hieraus ersichtlich ist, weist der Elektrodenkörperteil 1b eine komplizierte Außenkontur auf, wodurch die Form des Materialabtrags am Werkstück 21 entsprechend steuerbar ist.

Die 6 zeigt eine weitere Elektrode für ECM-Verfahren mit einem hohlen Elektrodenkörper 1, der eine Wandung 43 aus schichtweise aufgebautem Sintermetall umfasst. In der Wandung 43 sind Führungskanäle 44 vorhanden, die ein gezieltes Zuführen eines Elektrolyts 32 erlauben. Die Führungskanäle 44 können bereits beim schichtweise Aufbauen der Wandung 43 erzeugt werden oder sie werden nachher separat durch Bohren oder dergleichen hergestellt.

Die 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Elektrodenkörpers 1. Hier sind in dem Elektrodenkörper 1 mehrere Elektrolytzuführungskanäle 53 und Elektrolytabsaugkanäle 55 vorhanden. Diese Kanäle 53, 55 wurden bereits im RP-Verfahren in Schritt I des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1 aufgebaut.

Die 8 zeigt wiederum eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten hohlen Elektrode 1, deren Wandung 43 wie die der Elektrode gemäß 6 in RP-Technologie schichtweise aufgebaut ist, aber in Ergänzung zu der in 6 gezeigten Elektrode eine Füllung 70 umfasst. Die Füllung 70 kann zur Versteifung und Stabilisierung der Elektrode 1 dienen. Sie kann aber auch zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Elektrode beitragen. Entsprechend sind die Materialien zu wählen. Grundsätzlich ist anzumerken, dass die Füllung 70 auch bereits beim schichtweise Aufbauen der Wandung 70 gleichzeitig in RP-Technik hergestellt werden kann. Es ist aber auch eine separate Füllung 70 in den Hohlraum möglich.

9 zeigt noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode 1. Hier ist in Ergänzung zu der in 8 gezeigten Elektrode 1 die aus leitfähigen Schichten aufgebaute Wandung 43 mit zumindest einer leitfähigen Schicht 71, 72 versehen. Es können, wie gezeigt, aber insbesondere auch eine Innen- und Außenschicht 71, 72 aus leitfähigem Material vorhanden sein.

Die 10a)–10h) zeigen verschiedene Oberflächenstrukturen, die auf einer Elektrode 1 für ein ECM-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugbar sind. So können Rillen, Leitrinnen, Erhebungen, speziell strukturierte Oberflächen und Oberflächenabstände oder dergleichen geschaffen werden, die ein Zu- und Abführen von Elektrolyt im ECM-Verfahren verbessern oder mit denen sich besser steuern lässt, wo ein Abtrag am Werkstück erfolgt.

Die 11 zeigt eine Querschnittsansicht eines schichtweise aufgebauten Elektrodenkörpers 1, bei dem seitlich Ausnehmungen 70 vorhanden sind, um wiederum den Abtrag im ECM-Verfahren von Material am Werkstück besser steuern zu können.

In der 12 ist eine Querschnittsansicht in einer in Rapid-Prototyping-Schichtbauweise erstellte Gussform 60 gezeigt. In dieser Gussform 60 wird dann durch Gießen eines Kunststoffes oder eines Metalls oder Legierung ein Elektrodenkörper 1 erzeugt.

Gleiches gilt auch für den in 13 dargestellten Elektrodenkörper, der durch Gießen von Sintermetall eine poröse Struktur hat. Auch hier ist wiederum die Form 60 mit einzelnen Schichten in RP-Technik aufgebaut worden.

In der 14 ist eine Anordnung in einer ECM-Maschine gezeigt, die eine horizontal schwingende erfindungsgemäße Elektrode 1 zeigt. Hier sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Elektrode 1 Werkstücke 21a und 21b angeordnet, die mittels ECM-Technik zu bearbeiten sind. Durch die besonderen Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Herstellung von Elektroden 1 können nunmehr auch verschiedene Bearbeitungen von Werkstücken 21a und 21b gleichzeitig mit einer Elektrode 1 durchgeführt werden. Grundsätzlich ist aber durch das Hin- und Herschwingen der Elektrode 1 eine gleichzeitige Bearbeitung von zwei Werkstücken 21a, 21b möglich.

Schließlich zeigt die 15 eine Anordnung, die der in der 14 ähnelt. Im Gegensatz zu der Anordnung von 14 sind hier zwei Elektroden 1a und 1b vorhanden, die zwei verschiedene Stellen eines Werkstücks 21 in ECM-Technik bearbeiten. Die Elektroden 1a und 1b sind in Schichtbauweise aus einem leitfähigen Material hergestellt.


Anspruch[de]
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (21) durch Elysieren, umfassend zumindest folgende Schritte:

– ein metallisches Werkstück (21) wird anodisch kontaktiert,

– eine ECM-Elektrode (1), die in RP-Technologie aus einer Vielzahl von Schichten (3) aus einem leitfähigen Material aufgebaut ist, deren jeweilige Konturen zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) bilden, wird gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (21) derart angeordnet, dass ein Spalt (50) verbleibt,

– die ECM-Elektrode (1) wird kathodisch kontaktiert, und

– ein leitfähiges Medium (32) wird in den Spalt (50) gebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück (21) gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück (21) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende Werkstück (21) mittels Laserstrahlsintern, Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzverfahren oder Elektronenstrahlsinterverfahren hergestellt ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende Werkstück (21) in RP-Technologie aus einer Vielzahl von Schichten (3) aus einem leitfähigen Material aufgebaut ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülung und ein Absaugen des leitfähiges Mediums im Wechsel erfolgen. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des leitfähigen Mediums (32) nur über dafür bestimmte Kanäle (44; 53) oder Bohrungen und das Absaugen nur über dafür bestimmte Kanäle (55) oder Bohrungen erfolgt. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Ionenabtragung eine Beaufschlagung mit Ultraschall überlagert wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Vibrationen in unterschiedlichen Wirkrichtungen gearbeitet wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkstücke (21a, 21b) aus gleichen oder unterschiedlichen Metallen gleichzeitig im ECM-Verfahren bearbeitet werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung in einem ECM-Verfahren von mehreren Werkstücken (21a, 21b) in einer ersten Stufe getrennt erfolgt, wie beispielsweise ein konturnahes Elysieren, und in einer zweiten Stufe ein gemeinsames Bearbeiten der mehreren Werkstücke, z.B. ein Elysieren zur Erzielung einer bestimmten Kontur an den mehreren Werkstücken (21a, 21b) erfolgt. Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM-Verfahren als ECM-Elektrode (1) zu verwendenden Werkzeugs, das zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21) bestimmt ist, umfassend zumindest den Schritt:

– Herstellen der ECM-Elektrode (1) mittels RP-Technologie in Schichtbauweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei hierbei eine für das Abtragen des Werkstücks (21) im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen der ECM-Elektrode (1) in Schichtbauweise zumindest ein Kanal (53, 55) erzeugt wird, der zur Außenseite der ECM-Elektrode (1) führt, um ein leitfähiges Medium (32) beim Benutzen der ECM-Elektrode (1) in dem ECM-Verfahren in einen Arbeitsspalt (50) zwischen ECM-Elektrode (1) und Werkstück (21) zuzuführen und/oder dass beim Herstellen der ECM-Elektrode (1) in Schichtbauweise zumindest ein Kanal (53, 55) erzeugt wird, der das Zu- und/oder Abführen eines Mediums (32) im Umgebungsbereich der Elektrode erlaubt. ECM-Elektrode, die zur Verwendung in einem ECM-Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21) ausgebildet ist und einen Elektrodenkörper (1) umfasst, der aus einer Vielzahl von in RP-Technologie erstellten, aufeinander liegenden Schichten (3) aus leitfähigem Material besteht, deren jeweilige Konturen zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) bilden. ECM-Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (3) des Elektrodenkörpers (1) derart geformt sind, dass zumindest ein Kanal (53, 55) in dem Elektrodenkörper (1) ausgebildet ist, der das Zu- und/oder Abführen eines Mediums (32) im Umgebungsbereich der Elektrode erlaubt. ECM-Elektrode nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Elektrodenoberfläche eine definierte Oberflächenstruktur besitzt, die bei der Herstellung des Elektrodenkörpers (1) durch die Schichtbauweise festgelegt ist. ECM-Elektrode nach einem der Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlusseinrichtung (17) vorhanden ist, mit der eine Spannung an die ECM-Elektrode (1) anlegbar ist. ECM-Elektrode nach einem der Ansprüche 12–15, dadurch gekennzeichnet, dass die ECM-Elektrode (1) hohl ist und/oder eine spezielle Füllung besitzt. ECM-Elektrode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung der ECM-Elektrode (1) ein leitfähiges Gewebe oder Pulver umfasst, um die Übertragung hoher Stromstärken zu ermöglichen. ECM-Elektrode nach einem der Ansprüche 12–17, dadurch gekennzeichnet, dass die ECM-Elektrode (1) eine innere Raumgitter- oder Sinterstruktur besitzt oder auch in Schalen aufgebaut ist. ECM-Elektrode nach einem der Ansprüche 12–18, dadurch gekennzeichnet, dass die ECM-Elektrode (1) zur mehrstufigen Bearbeitung mehrteilig aufgebaut ist.






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