DE102004028658A1

DE102004028658A1 - Komposit-Werkzeugelektrode für die elektrochemische Materialbearbeitung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004028658A1
Application number: DE200410028658
Authority: DE
Inventors: Ralf Förster
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05

Abstract

Es wird eine Komposit-Werkzeugelektrode zur elektrochemischen Materialbearbeitung eines Werkstücks, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Grundkörper und in diesen eigebetteten Elektrodenteilen aus elektrisch leitenden Materialien, vorgeschlagen. Diese Komposit-Werkzeugelektrode zeichnet sich durch eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit und Maßhaltigkeit während des Einsatzes aus. Dadurch wird auch eine homogenisierte Strömung des Elektrolyten bewirkt. Insgesamt führt dies zu einer verbesserten Formgenauigkeit und Oberflächenqualität des erzeugten Werkstücks gegenüber der Bearbeitung mit herkömmlichen Elektroden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Komposit-Werkzeugelektrode zur elektrochemischen Materialbearbeitung bestehend aus einem Grundkörper aus elektrisch nicht leitendem Material und in diesen eingebetteten Elektroden aus elektrisch leitenden Materialien sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Komposit-Werkzeugelektrode.
Die elektrochemische Metallbearbeitung (ECM, Electrochemical Machining) ist ein Verfahren zur abtragenden Metallbearbeitung. Der Materialabtrag erfolgt durch anodische Auflösung des elektrisch leitenden Werkstoffs, indem mittels einer Elektrolytlösung ein Stromkreis zwischen einem als Kathode gepoltem Formwerkzeug, der sogenannten Werkzeugelektrode und dem als Anode gepolten Werkstück hergestellt wird. Dadurch können Durchbrüche oder Raumformen erzeugt werden. Die Geometrie der Werkzeugelektroden ist an die zu lösende Bearbeitungsaufgabe und die angestrebte Endkontur des Werkstücks angepasst. Zur Abfuhr der Reaktionsprodukte und der Wärme wird der Elektrolyt mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den entstehenden Spalt zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück gedrückt.
Ein besonderer Vorteil des ECM-Verfahrens ist das Bearbeiten von Werkstoffen beliebiger Härte aufgrund des nicht mechanischen Metallabtrags. Durch die Abbildung der Werkzeugelektrode im Werkstück können außerdem komplizierte Geometrien realisiert werden. Typisch für das Verfahren ist die Fertigbearbeitung eines Werkstückes in einem Arbeitsgang. Durch innovative Technologien konnte in den letzten Jahren die Abbildungsgenauigkeit immer weiter erhöht werden, so dass die Fertigung sehr feiner Strukturen möglich wurde.
Für die Qualität der Werkstückbearbeitung wesentlich ist dabei neben der geeigneten Wahl der Elektrolysebedingungen die präzise Formbeständigkeit der Werkzeugelektrode sowie der Elektrodenisolierung, da nur an den elektrisch leitenden Oberflächenanteilen durch Wechselwirkung mit dem Elektrolyt ein Materialabtrag stattfindet.
Herkömmliche Werkzeugelektroden ( DE 199 29 023 A1 , DE 198 54 793 A1 ,) bestehen deshalb aus einem elektrisch leitenden Grundkörper. Diese sind typischerweise bis auf einige freiliegende Oberflächenbereiche zur elektrischen Isolation mit einer Kunststoff- bzw. Epoxidharzschicht oder Keramik überzogen. Während des Einsatzes, vor allem in der Massenproduktion, wird häufig ein Abplatzen bzw. Teilablösen der Isolationsschichten beobachtet. Durch das Lösen der Isolationsschicht werden die Werkzeugelektroden unbrauchbar bzw. können den Qualitätsanforderungen bezüglich Formgenauigkeit und Oberflächengüte der erzeugten Struktur nicht mehr gerecht werden und müssen ersetzt werden.
Die erfindungsgemäße Komposit-Werkzeugelektrode hat demgegenüber den Vorteil, dass sie ein verbessertes Verschleißverhalten, eine hohe Formstabilität und eine hohe chemische Stabilität während der ECM-Bearbeitung aufweist. Dadurch werden auch die Spülbedingungen im Arbeitsspalt verbessert. In der Summe führt dies zu einer verbesserten Formgenauigkeit und Oberflächenqualität des erzeugten Werkstücks.
Wird für eine Werkzeugelektrode ein Grundkörper aus Keramik, Polymerbeton, Glas, Gips, Kunststoff oder einem anderen elektrisch nicht leitenden Material verwendet, können während der Herstellung elektrisch leitfähige Teile als Elektroden, beispielsweise Mikrostrukturen oder auch Fasern aus z. B. Metallen, Kohlenstoff o.ä. in den Grundkörper eingebracht werden, wobei diese Elektrodenstrukturen an ihren Austrittsoberflächen Geometrien aufweisen, die der jeweils gewünschten Endkontur entsprechend ausgelegt sind. Nach dem Sintern (bei Keramiken), bzw. Spritzen, Selektiven Laser Sintern (SLS), Gießen usw. (bei Kunststoffen) bzw. aushärten, stehen sogenannte Komposit-Werkzeugelektroden zur Verfügung, die ein sehr gutes Verschleißverhalten der Isolationsschicht aufweisen. Durch das Einbringen elektrisch leitfähiger Teile in den Grundkörper entsteht eine besser an die Eigenschaften des aggressiven Elektrolyten angepasste Werkzeugelektrode. Weiterhin kann die Oberfläche der Komposit-Werkzeugelektrode so gestaltet sein, dass die leitfähigen und nicht leitfähigen Elektrodenteile in derselben Ebene liegen, zumindest lokal in einem geeignet großen Bereich um die Austrittsfläche der formgebenden Elektrodenteile. Diese Eigenschaft verbessert zusätzlich das Strömungsverhalten des Elektrolyten deutlich, da eine Verwirbelung des Elektrolyten an unebenen Oberflächenstrukturen vermieden wird.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 bis 3 sind erfindungsgemäße Komposit-Werkzeugelektroden exemplarisch dargestellt.

1: Komposit-Werkzeugelektrode
2: Elektrodengrundkörper
3: Elektrode
4: Verbindungsteil
5: Kontaktierungsteil
6: Elektrodenfaserbündel
7: Isolationssteg

1 zeigt eine Komposit-Werkzeugelektrode (1), bei der in einen elektrisch nicht leitenden Grundkörper (2), hier aus einem CycloOlefinCopolymer (COC), während der Herstellung der Komposit-Werkzeugelektrode elektrisch leitfähige Elektroden (3), hier aus Wolframkupfer, während eines Spritzgießvorganges eingebracht wurden, die je nach Bearbeitungsanforderungen in vorteilhafter Weise an definierten Stellen auf der Mantel- und Stirnfläche der Komposit-Werkzeugelektrode oberflächlich frei liegen. Diese Elektroden (3) sind durch elektrisch leitende Verbindungsteile (4) mit dem elektrisch leitenden Kontaktierungsteil (2), beide hier ebenfalls aus Wolframkupfer, elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitfähigen Teile (2), (3) und (4) können aus einem Teil, aber auch aus mehreren miteinander verbundenen Einzelteilen bestehen.
In der 2 ist eine erfindungsgemäße Komposit-Werkzeugelektrode (1) exemplarisch dargestellt, bei der wie bei der Komposit-Werkzeugelektrode in 1, in einem nicht leitenden Grundkörper (2) elektrisch leitfähige Elektroden (3) eingebettet sind, die über die elektrisch leitenden Verbindungsteile (4) mit dem elektrisch leitenden Kontaktierungsteil (5) verbunden sind, wobei hier der Elektrodengrundkörper (2) an definierten Stellen um die Austrittsflächen der Elektrodenteile (3) Isolationsstege (7) aufweist. Durch diese Isolationsstege kann die Einsenktiefe einzelner kontur- und/oder funktionsbestimmender Strukturelemente erweitert werden ohne den Konturwinkel der Struktur zu verschlechtern. Dabei sind die Isolationsstege (7) so ausgeführt, dass die Seitenflächen der Elektroden (3) durch eine stabile Isolationsschicht abgedeckt sind.
In der 3 ist eine erfindungsgemäße Komposit-Werkzeugelektrode (1) exemplarisch dargestellt, bei der in einem nicht leitenden Grundkörper (2) elektrisch leitende Elektrodenfaserbündel (6) aus elektrisch leitfähigen Materialien, z.B. aus Metall, Kohlenstoff, elektrisch leitenden Polymeren o.ä. eingebetet und mit dem elektrisch leitenden Kontaktierungsteil (5) der Komposit-Werkzeugelektrode (1) verbunden sind.
Bei Bedarf kann die Komposit-Werkzeugelektrode zu Verbesserung der Formgenauigkeit noch durch Schleifen, Hohnen, Läppen oder andere Bearbeitungsverfahren nachbearbeitet werden.

Claims

Komposit-Werkzeugelektrode zur elektrochemischen Materialbearbeitung von Werkstücken dadurch gekennzeichnet, dass die Komposit-Werkzeugelektrode aus einem Grundkörper aus elektrisch nicht leitfähigem Material besteht, in den eine oder mehrere Elektroden aus elektrisch leitfähigen Materialien eingebettet sind, so dass nur deren eine oder mehrere Stirnflächen an einer oder mehreren bestimmten Stellen in der Oberfläche des Grundkörpers frei liegen, wobei der Grundkörper der Werkzeugelektrode je nach Bedarfsfall um die eine oder mehrere Austrittsstellen der einen oder mehreren Elektroden Isolationsstege aufweisen kann.
Komposit-Werkzeugelektrode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch nicht leitfähige Grundkörper aus Keramik, Polymerbeton, Glas, Gips oder einem Kunststoff besteht.
Komposit-Werkzeugelektrode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die in den Grundkörper eingebetteten Teile aus elektrisch leitfähigen Materialien aus Metallen, Graphit, Kohlenstoff oder elektrisch leitfähigen Polymeren bestehen.
Komposit-Werkzeugelektrode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die in den Grundkörper eingebetteten Teile aus elektrisch leitfähigen Materialien aus Metall, Graphit-, Kohlenstoff- oder elektrisch leitfähigen Polymerfasern oder Faserbündeln bestehen.
Komposit-Werkzeugelektrode nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten elektrisch leitfähigen Bereiche oberflächlich freigelegt werden sowie eine hohe Formgenauigkeit und geringe Oberflächenrauheit der Komposit -Elektrode erzielt werden durch ein im Anschluss an die Komposit-Herstellung angewandtes Oberflächenbearbeitungsverfahren, z.B. durch Schleifen, Fräsen, Drehen und/oder Polieren.
Verfahren zur Herstellung einer Komposit-Werkzeugelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komposit-Elektrode durch Verfahren wie Gießen, Spritzgießen, selektivem Lasersintern, Mehrkomponentenspritzguß, Gießen von Polymerbeton, Sintern von Keramiken oder geeignete Kombinationen dieser Verfahren hergestellt wird, wobei die elektrisch leitfähigen Materialien während des Herstellvorgangs in den elektrisch nicht leitenden Grundkörper eingebracht werden.