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Senkerodieren in der Forschung

Effektivitätsschub beim Senkerodieren in Aussicht

| Autor/ Redakteur: E. Ulmann, M. Polte, J. Streckenbach, N. C. Dinh und S. Yabroudi / Peter Königsreuther

Beim Senkerodieren ist es dringend geboten, den pulverartigen Abbrand durch Spülen zu entfernen. Forscher präsentieren jetzt ein Spülsystem, dessen Vorteile sich Werkzeug- und Formenbauer nicht entgehen lassen sollten.

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Eine neuartige Spüleinheit, entwickelt am IWF der TU Berlin, soll das Senkerodieren optimieren, damit Werkzeug- und Formenbauer einen deutlichen Vorsprung in Richtung Wirtschaftlichkeit genießen können. Lesen Sie hier, was das System alles kann...
Eine neuartige Spüleinheit, entwickelt am IWF der TU Berlin, soll das Senkerodieren optimieren, damit Werkzeug- und Formenbauer einen deutlichen Vorsprung in Richtung Wirtschaftlichkeit genießen können. Lesen Sie hier, was das System alles kann...
(Bild: IWF)

Das Potenzial von spanenden Bearbeitungsverfahren wird durch die mechanischen Eigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe, wie hochvergüteten Stählen, Superlegierungen und Hartmetallen zunehmend erschöpft. Zusätzlich nehmen die Qualitäts- und Genauigkeitsanforderungen sukzessive zu, sodass thermische und elektrochemische Abtragverfahren immer mehr an Bedeutung gewinnen [KLC07].

Das Senkerodieren ist bestens integrierbar

Ein im Zuge dessen wichtiges thermisches Abtragverfahren ist die Funkenerosion, welche vor allem im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus, beispielsweise für Spritzgießwerkzeuge in der Kunststofftechnik, zum Einsatz kommt. Für diese Branche betrug der Umsatz in Deutschland in 2017 stolze 5,1 Mrd. Euro [BOO18]. Eine Verfahrensvariante der Funkenerosion ist die Senkerosion, bei der die als Negativ ausgeführte Oberflächengeometrie einer Werkzeugelektrode aus Kupfer oder Graphit äquidistant in das Werkstück übertragen wird. Weil die Fräsbearbeitung der Werkzeugelektroden, die Bestückung der Senkerosionsmaschinen-Systeme sowie die eigentliche Bearbeitung autonom ablaufen, sind die Anlagen in der Regel hervorragend in automatisierte Fertigungsstrecken integrierbar [BOO18, KLC14].

Eine Herausforderung heißt Spülwirkung

Ein kritischer Aspekt bei die Senkerosion ist jedoch der Abtransport der dabei abgetragenen Partikel, der besonders bei hohen Aspektverhältnissen a erschwert wird [AYE16]. Dieses Problem stellt eine enorme Herausforderung dar, weil der Arbeitsspalt mit s ≤ 0,1 mm sehr klein ausfällt. Ohne ausreichende Spülwirkung wächst die Konzentration c von elektrisch leitenden Abtragpartikeln, was die lokale Durchschlagsfestigkeit ED des Dielektrikums verringert. Daraus resultierend, kommt es verstärkt zu Kurzschlüsse und Fehlentladungen, welche den relativen Verschleiß ϑ erhöhen sowie die Abtragrate V̇W deutlich senken. Die Wirtschaftlichkeit der Fertigung wird mit hohen Aspektverhältnissen a bei ungenügender Spülwirkung folglich signifikant beeinträchtigt.

Die Spülmethoden der bisherigen Praxis

Eine häufig angewandte Spülmethode ist die passive Spülung, die über eine Hubbewegung der Werkzeugelektrode realisiert wird. Sie ist in der Praxis recht beliebt, weil sie reproduzierbar ist und sich mit automatisierten Prozessen gut verträgt.

Mit einer aktiven Spülung, bei der etwa ein seitlich wirkender Spülstrahl durch einen manuell konfigurierbaren Knickschlauch erfolgt, werden die abgetragenen Partikel aus dem Eingriffsbereich entfernt. Allerdings behindert die seitliche Spülung die Integration des Prozesses in automatisierte Prozessketten. Darüber hinaus ist die manuelle Positionierung der seitlichen Spülung in den meisten Fällen nicht optimal und reproduzierbar, weil sie auch vom Können und der Erfahrung des Bedieners abhängt.

Die seitliche Spülung unter der Lupe der Forschung

Am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) wurden nun Untersuchungen zum Einfluss der seitlichen Spülung auf den Senkerosionsprozess durchgeführt. Dafür wurden mit dem Maschinensystem des Typs Genius 1000 von der Zimmer & Kreim GmbH & Co. KG Kavitäten mit einer 6 mm durchmessenden Zylinderelektrode aus Kupfer und einer Erodiertiefe von et = 5 mm mit und ohne seitliche Spülung angefertigt.

Die Versuchsergebnisse in Bild 1 zeigen, dass mit der seitlichen Spülung die Erosionsdauer tero um 41 % und der relative Verschleiß ϑ um 46 % gesenkt werden konnten.

Bild 1: Vergleich der Erosionsdauer und des relativen Verschleißes ϑ bei der Senkerosion, mit und ohne Einsatz einer seitlichen Spülung.
Bild 1: Vergleich der Erosionsdauer und des relativen Verschleißes ϑ bei der Senkerosion, mit und ohne Einsatz einer seitlichen Spülung.
(Bild: IWF)

Werkzeug- und Formenbauer können sich freuen

Resultierend aus den Ergebnissen wird im Rahmen eines Forschungsprojektes, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) gefördert wird, eine adaptive und maschinenherstellerunabhängige Spüleinheit zur prozessverbessernden Erweiterung industriell eingesetzter Senkerosionsmaschinen entwickelt. Der Unterschied zum Stand der Technik besteht in der präzisen und wiederholgenauen, automatisierten Positionierung des verwendeten Spülsystems zum Arbeitsspalt s, um reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse zu erhalten.

Die dafür benötigte optimale Spülung ist abhängig von den verwendeten Spülparametern, wie Arbeitsspalt s, Strahlwinkel α, Düsenabstände h, b, effektiver Strahlquerschnitt AS sowie Strahlform F (Bild 2). Mithilfe von Versuchen sowie computational fluid dynamics (CFD)-Simulationen werden die optimalen Spülparameter für verschiedene Flächenverhältnisse f sowie Aspektverhältnisse a für Schrupp- und Schlichttechnologien ermittelt.

Bild 2: Schematische Darstellung der Spülparameter.
Bild 2: Schematische Darstellung der Spülparameter.
(Bild: IWF)

Für die Integration der innovativen Spüleinheit in automatisierte Prozessketten ermöglicht die Kinematik zwei Lage Zustände (Bild 3).

Bild 3: Funktionsprinzip der innovativen, autonomen sowie aktiven Spüleinheit zur Verbesserung des Senkerodierens.
Bild 3: Funktionsprinzip der innovativen, autonomen sowie aktiven Spüleinheit zur Verbesserung des Senkerodierens.
(Bild: IWF)

In der Stand-By-Position (Bild 3a) ist der gefahrlose Tausch von Werkzeugelektroden durch Handlingsysteme möglich. In der Aktivposition (Bild 3b) befindet sich die Spüleinheit nahe an der Erodierstelle, welches die bedarfsgenaue Zustellung des Spülsystems hin zur Wirkstelle ermöglicht.

Bei bisherigen automatisierten Prozessketten konnte keine optimale Spülmöglichkeit verwendet werden. Mit der Entwicklung der innovativen Spüleinheit soll dies jedoch in Zukunft möglich sein. Und durch eine Reduzierung der Erosionsdauer tero und des relativen Verschleißes ϑ um bis zu 50 %, werden die beteiligten KMU im internationalen Wettbewerb außerordentlich konkurrenzfähig sein.

Literatur:

AYE16 Ayesta, I.; Flaño, O.; Izquierdo, B.; Sanchez, J.; Plaza, S.: Experimental Study on Debris Evacuation during Slot EDMing. Procedia CIRP (2016), S. 6 – 11.

BOO18

Boos, W.; Salmen, M.; Kelzenberg, C.; Johannsen, L.; Helbig, J.; Ebbecke, C.: Tooling in Germany 2018., 2. Auflage. Aachen: RWTH Aachen Werkzeugmaschinenlabor WZL, 2018.

KLC07 Klocke, F.; König, W. – Fertigungsverfahren 3. Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, Springer, Aachen, 2007, S. 3 – 25.

KLC14 Klocke, F.; Klink, A.; Veselovac, D.; Aspinwall, D. K.; Soo, S. L.; Schmidt, M.; Schilp, J.; Levy, G.; Kruth, J.-P.: Turbomachinery component manufacture by application of electrochemical, electro-physical and photonic processes. CIRP Annals – Manufacturing Technology 63 (2014) 2, S. 703 – 726.

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