Erodieren Erodierbohren macht dem Laser in Sachen Genauigkeit Konkurrenz

Erodieren ist längst keine exotische Fertigungsmethode mehr. Seine Vorteile spielt das Verfahren unter anderem bei der Herstellung von Kraftstoff-Einspritzdüsen aus. Der Schweizer Hersteller Posalux hat das Bohrerodieren im μ-Bereich weiterentwickelt und ermöglicht die Fertigung von Bohrungen in einer Größenordnung von 50 μm Durchmesser bei 0,8 mm Bohrtiefe. Mit einer Fertigung in dieser Dimension macht Erodieren dem Laser Konkurrenz.

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Beim Erodieren treten elektrische Entladungen zwischen Elektrode und leitendem Material auf. Die Elektrode und das Werkstück tauchen in einer nichtleitenden Flüssigkeit, die aus entionisiertem Wasser besteht. Jeder Funken schmilzt und verdampft Material von Werkstück und Elektrode. Das abgetragene Material wird anschließend durch das Dielektrikum weggespült. Das Verfahren des Mikro-Bohrerodierens gehört in die Familie der Senkerosion.

Bei dem Verfahren werden rotierende Stiftelektroden zur Herstellung rotationssymmetrischer Bohrungen und Durchbrüche verwendet. Der Bohrvorgang geschieht in zwei Schritten: dem Abrichten und dem eigentlichen Bohren. Während des Abrichtvorgangs wird mit einer positiv geladenen Elektrode und einem negativ geladenen Werkstück gearbeitet und die Spitze der Elektrode abgeflacht. Anschließend wird die Polarisierung geändert und der Erodiervorgang gestartet. Die beiden Teilvorgänge werden mit einer Rotation zwischen 500 und 1000 min-1 durchgeführt.

Die von Posalux entwickelte Mikroerodier-Baureihe Microfor (Bild 1) nutzt zur Kontrolle des Vorschubs und der Rotation der Elektrode eine Doppel-Klemmvorrichtung, der eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Ergebnisses zukommt. Diese Einheit besteht aus einem beweglichen Spannelement, einer Neigevorrichtung für die Elektrode und einem Führungselement sowie Justierring. Das bewegliche Spannelement ist auf der Z-Achse verschiebbar und sorgt für den Elektrodenvorschub. Die Neigevorrichtung kontrolliert den Auslauf der Elektrode, der den Bohrungsdurchmesser bestimmt.

Zylindrische und konische Bohrungen sind möglich

Ein großes Plus des Mikrobohrens ist die Möglichkeit, gratfrei sowohl zylindrische wie auch konische Bohrungen herstellen zu können. Die mögliche Konizitätsänderung pro mm Bohrtiefe beträgt dabei ±30 μm. Um eine Bohrung mit positivem Kegel herzustellen, muss die Elektrode am Bohrungseingang zentriert werden; bei einem negativen Kegel erfolgt die Zentrierung am Bohrungsausgang. Dazu wird eine Kamera eingesetzt, genauso wie zur Prüfung von Durchmesser, Geometrie und Positionierung der Bohrungen.

Ein weiterer Vorteil ist der breite Materialbereich, auf den Mikroerodieren anwendbar ist. Zusätzlich zu Gusswerkstoffen, Stahl und gehärtetem Stahl können auch Karbide, Titan, Platin und leitende Keramiken verarbeitet werden. Nach Herstelleraussage funktioniert das Verfahren bei jedem leitenden Material ohne Abweichung in der Genauigkeit.

Maßgebliche Einflussfaktoren für den Bohrungsdurchmesser sind die Elektrodengröße und die Größe des Funkenspalts, für den derzeit eine Grenze von etwa 5 μm gilt. Der Anwendungsbereich des Verfahrens reicht von 50 μm bis 1,8 mm Durchmesser und Bohrtiefen von 0,1 bis 2 mm. Die Erodierzeiten liegen je nach Bohrdurchmesser und -tiefe zwischen 15 und 40 s.

Die Microfor-Technik ermöglicht eine Minimierung der thermal beanspruchten Fläche. Dies führt zu einer Verringerung unerwünschter Materialveränderungen sowie der erodiertypischen weißen Schicht (White Layer). Bei Bohrungsdurchmessern von 50 bis 150 μm wurden in Versuchen White-Layer-Tiefen zwischen 1 und 1,5 μm erzielt. Für Bohrungsdurchmesser von 150 bis 300 μm, bei denen ein höherer Energieeinsatz notwendig ist, betrug die Tiefe des White Layers maximal 3,5 μm. Eine Verringerung dieses Wertes ist durch die Reduktion der eingesetzten Ener-giemenge möglich, wodurch allerdings die Maschinenlaufzeit deutlich ansteigt. Die Versuche haben ferner eindeutig gezeigt, dass das Elektrodenmaterial keinen Einfluss auf den White Layer hat. Dieser wird ausschließlich durch die eingesetzte Energie bestimmt.

Energieaufwand bestimmt die Oberflächenrauigkeit

Die eingesetzte Energie hat ebenfalls wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenrauigkeit. Bei geringer Energiezufuhr können den Angaben zufolge Werte von Ra kleiner als 1 μm erreicht werden.

Zwei Einsatzgebiete für das Mikro-Erodierbohren sind die Produktion von Komponenten für die Kraftstoffeinspritzung und von Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln. Andere Verwendungen findet das Verfahren in der Uhrenproduktion, Raumfahrt- und der Medizintechnik.

Nicht zuletzt die steigenden Emissionsgrenzwerte im Automobilbereich schaffen eine verstärkte Nachfrage für Produkte aus dem Bereich Mikro-Bohrerodieren. Konische Bohrungen bei Einspritzdüsen ermöglichen eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffes und Verringerung der Kavitation. Eine Folge ist ein geringerer Kraftstoffverbrauch.

Angeboten werden zwei Maschinenarten der Microfor-Baureihe. Die Microfor HP4 verfügt über vier Spindeln und ist für einen Einsatz in der Großserienproduktion ausgelegt. Die Microfor FP1 ist mit einer Spindel ausgestattet und für die Einzel- und Kleinserienproduktion gedacht.

Für die Zukunft lässt sich prognostizieren, dass es trotz der beachtlichen Fortschritte beim Mikro-Bohrerodieren noch weiteres Potenzial für die Verbesserung der Bohrungsgeometrien und der Fertigungszeiten gibt. Die Entwicklung wird hauptsächlich von den Fortschritten im Bereich des Impulsgenerators abhängen. Hier sind vor allem die Generierung kürzerer Entladungs- und Zykluszeiten, geringerer Unebenheit der Oberfläche sowie die Minimierung von unproduktiven Zeiten ein Thema.

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