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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten wenigstens
zweier Werkstücke mittels
elektrochemischer Behandlung sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens.
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Verfahren
zum elektrochemischen Behandeln von Werkstücken kommen heutzutage beispielsweise
beim Be- oder Entschichten von Werkstücken, beim Polieren von Werkstücken oder
beim Säubern
von Werkstücken
zur Anwendung. Spezielle Anwendungen sind beispielsweise das Be-
und Entschichten von Turbinenschaufeln.
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Die
EP 1 094 134 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Entfernen
einer Metallbeschichtung von einer Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel
wird als anodisch gepolte Arbeitselektrode in einen Behälter mit
einem elektrolytischen Bad gegeben. Im elektrolytischen Bad befindet
sich außerdem
eine Anzahl von Kathoden, welche Gegenelektroden zur Turbinenschaufel bilden.
Zum Entfernen der Metallbeschichtung wird eine Spannung zwischen
der Turbinenschaufel und den Kathoden aufgebaut. Der Turbinenschaufel
und den Gegenelektroden ist eine Spannungsquelle zugeordnet, welche
diese mit der nötigen
Spannung versorgt.
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Ein
Verfahren zum Herstellen von galvanischen Beschichtungen ist in
EP 0 748 883 A1 beschrieben.
In diesem Verfahren wird das zu beschichtende Werkstück in ein
galvanisches Bad eingebracht. Das Beschichtungsmaterial ist in Form
von positiv geladenen Ionen im galvanischen Bad gelöst. Durch
Anlegen einer Spannung zwischen dem kathodisch gepolten Werkstück und einer
anodisch gepolten Gegenelektrode werden die gelösten Metallionen zur Werkstücksoberfläche transportiert,
wo sie sich als Beschichtung ablagern.
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Ein
Verfahren zum elektrochemischen Entschichten von Turbinenschaufeln
ist außerdem
in
US 6,165,345 beschrieben.
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Gegenüber dem
beschriebenen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu
stellen, welche ein effizientes großtechnisches elektrochemisches
Bearbeiten von Werkstücken
möglich
machen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten wenigstens zweier
Werkstücke
mittels einer elektrochemischen Behandlung nach Anspruch 1, sowie
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Bearbeiten wenigstens zweier Werkstücke mittels elektrochemischer
Behandlung werden die Werkstücke
als Arbeitselektroden in eine elektrolytische Behandlungslösung gegeben.
In der elektrolytischen Behandlungslösung ist jedem Werkstück eine
Gegenelektrodenanordnung, welche lediglich aus einer einzigen Elektrode
oder aber aus mehreren Gegenelektroden bestehen kann, zugeordnet.
Ein Werkstück und
die ihm zugeordnete Gegenelektrodenanordnung bilden jeweils zusammen
ein elektrolytisches Bearbeitungselement. Die elektrolytischen Bearbeitungselemente
werden gemäß der Erfindung
in Reihe geschaltet.
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Die
Reihenschaltung ist hierbei so zu verstehen, dass zumindest ein überwiegender
Teil des bei der elektrochemischen Be handlung fließenden Stromes
nacheinander die elektrolytischen Behandlungselemente durchfließt. Um die
Reihenschaltung gewährleisten
zu können,
ist es vorteilhaft, wenn einem Stromfluss durch die elektrolytische
Behandlungslösung
zwischen den elektrolytischen Bearbeitungselementen gezielt entgegengewirkt
wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die einzelnen elektrolytischen
Bearbeitungselemente gegen die elektrischen Felder der anderen elektrolytischen
Bearbeitungselemente abgeschirmt werden. Der Strom kann dann beispielsweise über Kabel
definiert von einem elektrischen Bearbeitungselement zu einem anderen
fließen.
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Alternativ
zur Abschirmung der elektrischen Felder ist es auch möglich, die
elektrolytischen Behandlungslösungen
der einzelnen elektrolytischen Behandlungselemente elektrisch voneinander
zu isolieren.
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Das
Bilden der Reihenschaltung kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass das Werkstück eines
elektrolytischen Bearbeitungselementes mit der Gegenelektrodenanordnung
eines anderen elektrolytischen Bearbeitungselementes über einen
elektrisch leitenden Pfad verbunden wird, welcher einen sehr viel
geringeren elektrischen Widerstand aufweist, als mögliche Strompfade
durch die elektrolytische Behandlungslösung zwischen den elektrolytischen
Bearbeitungselementen. Vorzugsweise liegen Werkstücke und
Gegenelektrodenanordnungen, welche über einen derartigen niederohmigen
elektrisch leitenden Pfad miteinander verbundenen sind, auf demselben
elektrischen Potential. Mit anderen Worten, die Gegenelektrodenanordnung
eines elektrolytischen Bearbeitungselementes liegt auf demselben Potential
wie die mit ihm über
den niederohmigen Pfad verbundene Arbeitselektrode des folgenden elektrolytischen
Bearbeitungselementes. Diese Arbeitselektrode ist dann über die
elektrolytische Behandlungslösung
im elektrolytischen Bearbei tungselement mit der im elektrolytischen
Bearbeitungselement zugeordneten Gegenelektrodenanordnung elektrisch
verbunden, welche wiederum über
einen niederohmigen Pfad mit der Arbeitselektrode eines weiteren
elektrolytischen Bearbeitungselementes verbunden ist. In den einzelnen
elektrolytischen Behandlungselementen liegt dabei jeweils eine Potentialdifferenz
zwischen der Arbeitselektrode und der zugeordneten Gegenelektrode
vor.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
das gleichzeitige Bearbeiten mehrerer Werkstücke unter Verwendung lediglich
einer einzigen Stromquelle. Aufgrund der Reihenschaltung kann erreicht werden,
dass der Stromfluss durch alle Werkstücke im Wesentlichen gleich
ist. Somit kann die Steuerung des Verfahrens wie bisher über die
Stromdichte erfolgen. Da im erfindungsgemäßen Verfahren nicht für jedes
Werkstück
eine eigene Spannungsquelle, etwa ein eigener Generator, notwendig
ist, können
die Investitionskosten für
einen großtechnischen
Einsatz verringert werden, da die Zahl der hohe Kosten verursachenden
Generatoren verringert werden kann.
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Eine
erfindungsgemäfle
Vorrichtung zum Bearbeiten wenigstens zweier Werkstücke mittels
elektrochemischer Behandlung umfasst einen Behälter, der mit einer elektrolytischen
Behandlungslösung
zu befüllen
ist und in den die Werkstücke
als Arbeitselektroden eingebracht werden können. Im Behälter ist
je Werkstück
entweder eine Gegenelektrodenanordnung angeordnet oder einzubringen.
Die Gegenelektrodenanordnung kann eine einzige oder mehrere Gegenelektroden
umfassen. Schließlich
ist eine mit einem Werkstück
und mit einer Gegenelektrodenanordnung elektrisch leitend zu verbindende
Spannungsquelle vorhanden. Ein Werkstück bildet zusammen mit einer
zugeordneten Gegenelektrodenanordnung ein elektrolytisches Bearbeitungselement,
wobei wenigstens ein Werkstück
eines elektroly tischen Bearbeitungselementes mit der Gegenelektrodenanordnung
eines anderen elektrolytischen Bearbeitungselementes über einen
elektrisch leitenden Pfad zu verbinden ist, der einen deutlich geringeren
elektrischen Widerstand aufweist, als die elektrolytische Behandlungslösung zwischen
den beiden elektrolytischen Bearbeitungselementen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
eine Reihenschaltung der elektrolytischen Bearbeitungselemente und
damit ein Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Sie bietet daher die bereits mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Vorteile.
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Um
sicherzustellen, dass beim Bearbeiten der Strom im Wesentlichen
nacheinander durch die einzelnen elektrolytischen Bearbeitungselemente fließt, können Einrichtungen
zum Unterbinden eines Stromflusses durch die elektrolytische Behandlungslösung zwischen
zwei elektrolytischen Bearbeitungselementen vorhanden sein. Diese
Einrichtungen können
beispielsweise Faradaysche Wände,
etwa in Form geerdeter Drahtgitter, sein. Alternativ ist es jedoch
auch möglich,
die Einrichtungen durch Wände aus
elektrisch isolierendem Material zu realisieren. In beiden Fällen ist
es vorteilhaft, wenn die Einrichtungen aus einem gegenüber der
elektrolytischen Behandlungslösung
chemisch inerten Material hergestellt sind. Auf diese Weise kann
sichergestellt werden, dass ein Stromfluss durch die elektrolytische Behandlungslösung zwischen
benachbarten elektrolytischen Bearbeitungselementen auch über längere Zeit
wirksam unterdrückt
werden kann.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die
nachfolgend mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen
Vorrichtungen zum elektrochemischen Bearbeiten mindestens zweier
Werkstücke können bei
allen galvanischen Prozessen, die über einen gepulsten oder ungepulsten
Strom gesteuert werden, zum Einsatz kommen. Derartige Prozesse sind
beispielsweise das elektrochemische Entschichten von Werkstücken, das
elektrochemische Beschichten von Werkstücken, das elektrochemische Reinigen
von Werkstücken,
das elektrochemische Polieren von Werkstücken, etc.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung wird nachfolgend mit
Bezug auf ein elektrochemisches Entfernen von MCrAlY-Beschichtungen
von Turbinenschaufeln beschrieben. In einem derartigen elektrochemischen
Entschichtungsverfahren wird eine Turbinenschaufel als eine positiv,
also anodisch gepolte Arbeitselektrode in eine elektrolytische Behandlungslösung, beispielsweise
eine Salzlösung,
eingebracht. In der elektrolytischen Behandlungslösung befindet
sich außerdem
eine Gegenelektrodenanordnung, die negativ, also kathodisch, gepolt
ist. Aufgrund des Stromflusses werden die aus der MCrAlY-Beschichtung herausgelösten Metallionen
von der Turbinenschaufel wegtransportiert.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung zum elektrochemischen
Behandeln von Werkstücken
umfasst einen Behälter 1 in
den eine elektrolytische Behandlungslösung 3 einfüllbar ist.
Mittels Drahtgitter 5 ist der Behälter in verschiedene Aufnahmen 6 unterteilt.
In jede der Aufnahmen 6 werden zu entschichtende Turbinenschaufeln
als Werkstücke 7,
welche Arbeitselektroden bilden, sowie den Werkstücken 7 zugeordnete
Gegenelektrodenanordnungen 9 eingebracht. Die elektrolytische
Behandlungslösung 3 kann
entweder zuvor in den Behälter 1 eingefüllt worden
sein oder kann nach dem Einbringen der Werkstücke 7 in den Behälter eingefüllt werden.
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Die
Werkstücke 7 und
die zugeordneten Gegenelektrodenanordnungen 9 werden derart
in den Behälter 1 eingebracht,
dass sich in jeder Aufnahme jeweils genau ein Werkstück 7 und
eine zugeordnete Gegenelektrodenanordnung 9 befinden. Ein
Werkstück
und eine zugeordnete Gegenelektrodenanordnung 9 bilden
dabei eine im folgenden elektrochemisches Bearbeitungselement genannte
Anordnung.
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Eines
der Werkstücke 7d ist
mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle 11 elektrisch
verbunden. Die diesem Werkstück 7d zugeordnete
Gegenelektrodenanordnung 9d ist über eine möglichst niederohmige elektrische
Verbindung 13c mit dem Werkstück 7c des nächsten elektrochemischen
Bearbeitungselementes verbunden. Dessen Gegenelektrodenanordnung 9c ist
wiederum über
eine möglichst niederohmige
elektrische Verbindung 13d mit dem Werkstück 7b des
dritten elektrochemischen Bearbeitungselementes verbunden. Dessen
Gegenelektrodenanordnung 9b ist wiederum über eine
möglichst niederohmige
elektrische Verbindung 13a mit dem Werkstück 7a des
letzten elektrochemischen Bearbeitungselementes verbunden. Die Gegenelektrodenanordnung 9a dieses
elektrochemischen Bearbeitungselementes ist schließlich mit
dem negativen Pol der Spannungsquelle 11 verbunden.
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Die
Drahtgitter 5, welche die einzelnen Aufnahmen 6 mit
den daran angeordneten elektrochemischen Bearbeitungselementen voneinander
trennen, sind geerdet und schirmen die elektrochemischen Behandlungselemente
gegen die von den anderen elektrolytischen Behandlungselementen
ausgehenden elektrischen Felder ab. Auf diese Weise kann ein Stromfluss
durch die elektrolytische Behandlungslösung zwischen den einzelnen
elektrolytischen Behandlungselementen wirksam unterbunden werden. Um
einen elektrochemischen Angriff auf das Material der Drahtgitter 5 zu
vermeiden, sind diese aus einem im Hinblick auf die elektrolytische
Behandlungslösung 3 chemisch
inerten Material hergestellt.
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Die
elektrisch leitenden Verbindungen 13 zwischen den Werkstücken 7 und
den Gegenelektrodenanordnungen 9 verschiedener elektrochemischer Behandlungselemente
führen
zu einer Reihenschaltung der einzelnen elektrochemischen Behandlungselemente.
Dabei bildet jedes elektrochemische Behandlungselement jeweils ein
Element der Reihenschaltung, in dem das Werkstück 7 anodisch gepolt und
die zugehörige
Gegenelektrodenanordnung kathodisch gepolt ist. Die elektrische
Verbindung 13 ist derart niederohmig gewählt, dass
ein Werkstück 7 auf
demselben Potential liegt wie die mit ihm über die elektrische Verbindung 13 verbundene
Gegenelektrodenanordnung 9. Die Drahtgitter 5 sorgen
dabei dafür,
dass für
einen Stromfluss zwischen den beiden Polen der Spannungsquelle 11 lediglich
ein einziger Strompfad zur Verfügung
steht, nämlich
derjenige über
die elektrischen Verbindungen 13 und – in den einzelnen elektrolytischen
Bearbeitungselementen – durch
die elektrolytische Behandlungslösung 3 zwischen
dem Werkstück 7 und
der zugeordneten Gegenelektrodenanordnung 9.
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Wenn
die Spannungsquelle 11 beispielsweise eine Spannung von
8 Volt zur Verfügung
stellt und, wie in 1 dargestellt, vier elektrolytische
Behandlungselemente in Reihe geschaltet sind, fällt über jedes elektrolytische Behandlungselement
ei ne Spannung von zwei Volt ab. Mit anderen Worten, zwischen dem
Werkstück 7 und
der zugeordneten Gegenelektrode 9 eines elektrochemischen
Behandlungselementes liegt immer eine Spannung von zwei Volt an. Die
Potentiale, auf denen die einzelnen Werkstücke 7 und Gegenelektroden 9 liegen,
sind in 1 angedeutet.
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Während des
elektrochemischen Behandlungsprozesses kann die elektrolytische
Behandlungslösung 3 über geeignete
Zu- und Abflüsse
kontinuierlich ausgetauscht werden, beispielsweise um beim Entschichten
der Turbinenschaufeln in die elektrolytische Behandlungslösung eingebrachte
Ionen abzutransportieren. Beim Beschichten können über den Zufluss ständig neue
Ionen zugeführt
werden, die sich als Beschichtung auf der Oberfläche des Werkstückes 7 ablagern
können.
Die Zu- und Abflüsse
sind vorzugsweise so angeordnet, dass alle Aufnahmen im Wesentlichen
dieselbe Ionendichte aufweisen. In der in 1 dargestellten
Vorrichtung genügt
dabei grundsätzlich
ein einziger Zufluss und ein einziger Abfluss, da alle Aufnahmen 6 aufgrund
der Maschen der Gitter 5 strömungstechnisch miteinander
in Verbindung stehen.
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Zwar
weist der Behälter 1 der
mit Bezug auf 1 beschriebenen Vorrichtung
vier Aufnahmen auf, jedoch kann er auch mehr als vier oder weniger als
vier Aufnahmen aufweisen. Entsprechend kann die Reihenschaltung
aus mehr oder weniger als vier elektrolytischen Behandlungselementen
aufgebaut sein. Grenzen für
die Zahl an elektrolytischen Behandlungselementen, aus denen die
Reihenschaltung aufgebaut sein kann, ergeben sich aus dem gewünschten
Spannungsabfall zwischen den Werkstücken und den zugeordneten Gegenelektrodenanordnungen
in Verbindung mit der Spannung, die von der Spannungsquelle zur
Verfügung
gestellt werden kann. Daneben stellt auch die Größe des Behälters 1 im Verhältnis zur
Größe der zu
bearbei tenden Werkstücke
eine Beschränkung
für die
mögliche
Anzahl an Aufnahmen dar.
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Da
aufgrund der Reihenschaltung der Strom durch alle elektrolytischen
Bearbeitungselemente gleich ist, kann der elektrolytische Bearbeitungsprozess
wie bei einer elektrolytischen Einzelzelle über die Stromdichte erfolgen.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird nachfolgend mit Bezug auf 2 beschrieben.
Die in 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich
von der in 1 dargestellten Vorrichtung
lediglich dadurch, dass die geerdeten Drahtgitter 5 durch
Wände 50 aus
Isolatormaterial ersetzt sind. Wie das Material der Drahtgitter im
ersten Ausführungsbeispiel
ist auch das Material der Isolatorwände 50 derart gewählt, dass
es im Hinblick auf die elektrolytische Behandlungslösung 3 chemisch
inert ist. Die übrigen
Elemente des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels
entsprechen denen aus 1. Sie sind daher mit demselben
Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet und werden an dieser
Stelle nicht noch einmal erläutert.
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Die
in 2 dargestellte Vorrichtung ist zum Beschichten
eines Werkstückes,
beispielsweise einer Turbinenschaufel, mit einer metallischen Beschichtung
konfiguriert. Dies bedeutet, dass die Spannungsquelle 11 gegenüber der
in 1 dargestellten Spannungsquelle umgepolt ist.
Mit anderen Worten, in jedem elektrolytischen Behandlungselement
bildet das Werkstück 7 bei
der in 2 dargestellten Polung eine kathodisch gepolte
Elektrode, während
die Gegenelektrodenanordnung 9 eine anodisch gepolte Elektrode
bildet. Ein Stromfluss durch die elektrolytische Behandlungslösung 3 zwischen den
einzelnen elektrolytischen Behandlungselementen wird durch die Isolatorwände 50 unterbunden.
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Zum
Beschichten der Werkstücke 7 werden der
elektrolytischen Behandlungslösung 3 Metallionen
zugeführt,
die aufgrund der zwischen den Werkstücken 7 und den zugeordneten
Gegenelektrodenanordnungen 9 anliegenden Spannung zu den
Oberflächen
der Werkstücke 7 transportiert
werden und sich dort zu einer Beschichtung ablagern.
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Da
die Isolatorwände 50 Strömungsbarrieren darstellen,
ist im zweiten Ausführungsbeispiel
jeder Aufnahme 6 im Behälter 1 ein
eigener Zufluss und ein eigener Abfluss für elektrolytische Behandlungslösung zugeordnet.