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Die Vorteile einer Kupfer-Graphit-Hybridelektrode

Im ersten Schritt des Forschungsvorhabens werden die Graphitreste in drei unterschiedliche Partikelfraktionen sortiert, sodass Graphitstaub mit unterschiedlichen mittleren Partikelgrößen d₅₀ vorliegt. Zu große Partikel werden mit variabler Mahldauer t_m weiter zerkleinert. Anschließend wird dem Graphitstaub Kupferpulver in unterschiedlichen Verhältnissen beigemischt. Die thermische Leitfähigkeit λ sowie elektrische Leitfähigkeit _K im Vergleich zu reinem Graphit wird hierdurch erhöht. Ein weiterer Vorteil durch die Kombination von Kupfer und Graphit ist, dass die Abtragrate V̇_W bis zu 30 Prozent erhöht werden kann und gleichzeitig der relative Verschleiß ϑ um bis zu 10 Prozent verringert wird [MUT09]. Um dies zu gewährleisten, muss allerdings die Porosität Φ der Elektrode kleiner als 5 Prozent sein, weil ansonsten die elektrische Leitfähigkeit _K sinkt und der relative Verschleiß ϑ steigt.

Das Kupfer-Graphit-Gemisch wird dann mit einem Druck von p = 300 MPa gepresst und anschließend gesintert. Die Sintertemperatur ϑ _s und die Sinterdauer t_s werden dabei auch als variable Parameter behandelt. Die durch die Variation der Partikelgröße d_p, Massenanteile von Kupfer W_m und Sinterparameter entstandenen Elektroden werden anschließend experimentell untersucht. Hierbei sollen sowohl der spezifische elektrische Widerstand ρ_R, die Dichte ρ, dadurch die Porosität Φ und die Druckfestigkeit R_S bestimmt werden.

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Im letzten Schritt erfolgt die Nachbearbeitung mittels Fräsen, wobei man die Gratlänge l_g ≤ 6 µm für Schrupptechnologien und l_g ≤ 2 µm für Schlichttechnologien nicht überschreiten sollte (Bild 3). Zur Bestimmung der optimalen Partikelgröße d_p und des optimalen Masseanteils von Kupfer W_m werden experimentelle Senkerosionsversuche gefahren, wobei die Erosionsdauer t_ero, der relative Verschleiß ϑ und die Oberflächenrauheits-Kennwerte bestimmt werden.

Simulationen werden durch passende Erodiertests in der Praxis überprüft

Die Einarbeitung von innenliegenden Spülkanälen soll mit dem Sinterprozess vereint werden, weil das auch komplexere Konfigurationen erlaubt. Aufgrund dessen wird insgesamt eine Anzahl von n = 125 strömungsmechanischen Simulationen durchgeführt, bei denen Modelle mit unterschiedlichen Spülkanalkonfigurationen untersucht werden. Dabei werden die Anzahl der Spülkanäle n_i, der radiale Abstand der Kanäle a_i zueinander und der Durchmesser der Spülkanäle d_i innerhalb des Simulationsmodells variiert. Um nun zu bestimmen welche Spülkanalkonfiguration besonders geeignet ist um Partikel schnell abzuführen, wird die resultierende Strömungsgeschwindigkeit im Arbeitsspalt c_s der unterschiedlichen Modelle betrachtet. Damit auch realistische Abgleiche dieser Simulationen mit den Prozesszielgrößen der Funkenerosion gewährleistet sind, werden parallel auch experimentelle Senkerosionsversuche durchgeführt (Bild 4). Durch diese Experimente können die Abtragrate V̇_W, die Erosionsdauer t_ero sowie die Verschleißrate V̇_E in Bezug zu den simulierten Spülkonfigurationen gesetzt werden.

Das von den Projektpartnern angestrebte Ziel ist, durch eine im Vergleich zur klassischen Senkerosion deutlich verbesserte Spülung über die eingebrachten Innenkanäle, die Erosionsdauer t_ero und den relativen Verschleiß ϑ um 30 Prozent zu reduzieren.

Einsatz von Elektroden aus recycelten Graphitstaub ohne große Mehrkosten

Nach Abschluss des Kooperationsprojektes liegen nun anwendungsorientierte Kenntnisse, innovative Werkstoffzusammensetzungen für Werkzeugelektroden sowie Technologien zu deren Anwendung vor, die bei einem großen Teil der Fertigungsbetriebe in Deutschland zu Produktivitätssteigerungen sowie zur Ressourcenschonung führen können. Die Projektergebnisse sind direkt einsetzbar, ohne größere Investitionen zu verursachen. Auch Fertigungsbetriebe mit hochmoderner Maschinenausstattung können deshalb durch die innovativen Werkzeugelektroden mit innenliegenden Spülkanälen auf Basis von recyceltem Graphitstaub Steigerungspotenziale in den Bereichen Nachhaltigkeit und Produktivität ausschöpfen.

Literatur

[GAB22] GAB Neumann GmbH: Verfahren zur Herstellung, URL: https://www.gab-neumann.com/Verfahren-zur-Herstellung-von-impr%C3%A4gniertem-Graphit (Zugriff: 2022-07-21)

[GIS22] GisChem: Gefahrstoffinformationssystem Chemikalien der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie und der Berufsgenossenschaft Holz und Metall, URL: https://www.gischem.de/ (Zugriff: 2022-07-20)

[GRA22] Graphitprodukte - Herstellungsprozess, URL: https://www.graphitprodukte.de/produkte/funkenerosion/graphit-herstellung.html (Zugriff: 2022-07-21)

[MER22] Mersen: ELLOR Graphit für die Funkenerosion, URL: https://www.ellor.de/material.html (Zugriff: 2022-07-20)

[MUT09] Muttamara A.; Fukuzawa Y.; Mohri N.; Tani T.: Effect of electrode material on electrical discharge machining of alumina. Journal of materials processing technology 209 (2009), S. 2.545 – 2.552.

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