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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bereitstellung eines Elektrolyts zur elektrochemischen Bearbeitung von
Werkstücken.
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Aus
der
EP 0 802 009 B1 und
der
EP 1 179 379 A1 ist
bekannt, ein Elektrolyt aus einem Vorratsbehälter einem
elektrochemischen Bearbeitungsprozess bereitzustellen. Hierbei wird
der Elektrolyt zunächst mit Hilfe einer Pumpe aus einem
Elektrolyt-Auffangbehälter in einen Vorratsbehälter
gepumpt. In diesem Vorratsbehälter wird der Elektrolyt mit
einem Fluid beaufschlagt, so dass der Elektrolyt komprimiert werden
kann. Dazu kann der Druck des Fluids bspw. mit Hilfe eines Kompressors
beeinflusst werden. Zusätzlich ist es möglich,
das Fluid im Vorratsbehälter mit Hilfe einer elastischen
Membran von dem Elektrolyt zu trennen, um eine Durchmischung zu
verhindern. Sobald mit Hilfe des Fluids der für den elektrochemischen
Bearbeitungsprozess erforderliche Elektrolytdruck aufgebaut ist,
wird der Vorratsbehälter über eine Verbindungsleitung
mit dem Werkstück gekoppelt, so dass der Elektrolyt das
zu bearbeitende Werkstück durchströmen kann. Nachdem der
Elektrolyt das Werkstück durchströmt hat, wird der
Elektrolyt in einem Elektrolyt-Auffangbehälter gesammelt
und dort dem Elektrolytbereitstellsystem wieder zur Verfügung
gestellt.
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Insbesondere
beim elektrochemischen Kalibrieren von Einspritzdüsen für
den Einsatz im Automobilbau, bei dem sehr geringe Bearbeitungstoleranzen
eingehalten werden müssen, ist es erforderlich, dass während
der Bearbeitung des Werkstückes die Pumpe zum Befüllen
des Vorratsbehälters abgeschaltet wird, damit Messfehler
durch Pulsationen des Elektrolytstroms vermieden werden. Dies hat zur Folge,
dass Werkstücke nicht kontinuierlich bearbeitet werden,
weil die Bearbeitung der Werkstücke bei Erreichen eines
Mindestfüllstandes des Elektrolyts in den Vorratsbehältern
unterbrochen werden muss, damit der Vorratsbehälter durch
eine Pumpe nachgefüllt werden kann. Durch diesen Nachfüllprozess
des Vorratsbehälters kommt es folglich zu einer Verzögerung
der Bearbeitung der Werkstücke und somit zu vergleichsweise
geringen Durchsatzleitungen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik
geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und
insbesondere ein Verfahren zur Bereitstellung eines Elektrolyts zur
elektrochemischen Bearbeitung von Werkstücken anzugeben,
das eine vergleichsweise hohe Durchsatzleistung gewährleistet.
Ebenso soll eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Elektrolyts
zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks angegeben
werden, durch deren Anwendung die Durchsatzleistung gesteigert werden
kann.
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Diese
Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 5. Weitere bevorzugte Verwendungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig
formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf
hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen
einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch
sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und
weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber
hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale
in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert,
wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bereitstellung
eines Elektrolyts zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks
werden zumindest die folgenden Schritte durchgeführt:
- a. Bereitstellen eines Elektrolyts zumindest
in einem ersten Vorratsbehälter von mehreren Vorratsbehältern,
- b. Komprimieren des Elektrolyts zumindest in diesem ersten Vorratsbehälter,
- c. Koppeln des ersten Vorratsbehälters mit zumindest
einer Bearbeitungsstation und Zuleiten des Elektrolyts aus dem ersten
Vorratsbehälter zu dieser Bearbeitungsstation,
- d. Umschalten von dem ersten Vorratsbehälter auf einen
gefüllten zweiten Vorratsbehälter, wenn der Elektrolyt
im ersten Vorratsbehälter einen Mindeststand erreicht hat,
und
- e. Entkoppeln des ersten Vorratsbehälters von der Bearbeitungsstation.
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Die
vorstehend angegebenen Schritte a. bis e. werden regelmäßig
nacheinander initiiert, wobei die Schritte gleichwohl ggf. zumindest
teilweise zeitgleich und/oder von weiteren Schritten überlagert durchgeführt
werden können. Regelmäßig werden diese
Schritte auch mehrfach wiederholt, insbesondere bezüglich
verschiedener Vorratsbehälter. Es ist ebenfalls möglich,
dass einzelne Schritte gleichzeitig bei verschiedenen Vorratsbehältern
eingeleitet und/oder durchgeführt werden.
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Bei
der elektrochemischen Bearbeitung kann es sich insbesondere um ein
sogenanntes ECM-Verfahren handeln, welches zur Formgebung und Oberflächenbehandlung
(z. B. Entgraten) von metallischen Werkstücken eingesetzt
wird (Elektrochemische Metallbearbeitung). Diesem Verfahren liegen die
physikalischen Regeln der Elektrolyse zugrunde. Dabei wird das zu
bearbeitende Werkstück meist als Anode und das Werkzeug
als Katode geschaltet. Das Anlegen einer Gleichspannung bewirkt
eine chemische Zersetzung des Werkstücks an der zuvor exakt definierten
Stelle. Das Abtragvolumen wird dabei durch Höhe und Wirkzeit
des Arbeitsstromes, aber auch durch gezielte Spülung mit
Elektrolyt und einer entsprechenden Werkzeugausführung
beeinflusst. Das ECM-Verfahren wird bspw. zum Entgraten, Verrunden
von Kanten an genau definierten Stellen, Polieren und Ätzen
verwendet. Die Vorteile des ECM-Verfahrens liegen unter anderem
in einer gezielten, stets mit reproduzierbarer Genauigkeit wiederholbaren
Bearbeitung und der fehlenden mechanischen und thermischen Beanspruchung
des Werkstücks.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung
eines Elektrolyts zur elektrochemischen Bearbeitung von Werkstücken
hat den Vorteil, dass durch das Umschalten von einem ersten Vorratsbehälter
auf einen gefüllten zweiten Vorratsbehälter, wenn
der Elektrolyt im ersten Vorratsbehälter einen Mindeststand
(z. B. Mindestfüllhöhe, Mindestvolumen, etc.)
erreicht hat, eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Bearbeitung
der Werkstücke ermöglicht wird. Mit anderen Worten
bedeutet dies, dass bei Erreichen eines vorgegebenen Mindeststandes
eines Vorratsbehälters die elektrochemische Bearbeitung
der Werkstücke nicht solange unterbrochen werden muss,
bis das der Vorratsbehälter bspw. durch eine Pumpe nachgefüllt
ist. Bevorzugt ist der Mindeststand erreicht, wenn der Elektrolyt
aus dem Vorratsbehälter (fast) vollständig entleert
ist, diese ist aber nicht zwingend erforderlich.
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Um
im Wesentlichen unterbrechungsfrei zwischen Vorratsbehältern
umschalten zu können, sind für dieses Verfahren
mindestens zwei Vorratsbehälter erforderlich, die alternierend
angewendet werden, wobei die Anzahl der verwendeten Vorratsbehälter auch
größer sein kann, insbesondere wenn mehrere Werkstücke
zusammen in einer Bearbeitungsstation mit dem Elektrolyt durchströmt
werden.
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Die
Kopplung der Vorratsbehälter mit der zumindest einen Bearbeitungsstation
kann mit starren oder flexiblen Verbindungsleitungen erfolgen, wobei diese
zur Kopplung bzw. Entkopplung des Vorratsbehälters Ventile
aufweisen können. Ein Vorratsbehälter ist mit
einer Bearbeitungsstation gekoppelt, wenn der sich im Vorratsbehälter
befindende Elektrolyt hin zur Bearbeitungsstation und durch das
zu bearbeitende Werkstück strömen kann. Entsprechend
ist ein Vorratsbehälter von einer Bearbeitungsstation entkoppelt,
wenn ein Fluss hin zur Bearbeitungsstation und/oder eine Durchspülung
des Werkstückes mit Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter
blockiert ist.
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Die
zur Kopplung eines Vorratsbehälters mit einer Bearbeitungsstation
verwendeten Verbindungsleitungen können entweder fest oder
lösbar an den Vorratsbehältern angebracht sein.
Dies bedeutet, dass bei einer festen Anbringung der Verbindungsleitungen
an den Vorratsbehältern die gleiche Anzahl Verbindungsleitungen
wie Vorratsbehälter vorhanden sind, wohingegen bei einer
lösbaren Anbringung der Verbindungsleitungen an den Vorratsbehältern
z. B. nur zwei Verbindungsleitungen erforderlich sind.
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Darüber
hinaus ist es möglich und erfindungsgemäß,
dass während der elektrochemischen Bearbeitung mehrere
Vorratsbehälter gleichzeitig mit zumindest einer Bearbeitungsstation
gekoppelt sind, wodurch sich der Elektrolytvorrat, der zur elektrochemischen
Bearbeitung benötigt wird, entsprechend erhöht.
Hierdurch kann die Durchsatzleistung noch weiter erhöht
werden, weil durch die langsamere Entleerung der Vorratsbehälter
seltener zwischen Vorratsbehältern umgeschaltet werden
muss.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass in den Vorratsbehältern auf
den Elektrolyt ein komprimiertes Fluid wirkt. Mit Hilfe dieses komprimierten
Fluids kann in vorteilhafter Weise der Druck (z. B. im Bereich von
80 bis 120 bar, insbesondere zwischen 96 und 102 bar), mit dem der
Elektrolyt von dem Vorratsbehälter zur Bearbeitungsstation
fließt, auf ein gewünschtes Niveau eingestellt
werden. Damit wird der Fluss des Elektrolyts hin zum Werkstück
von der Pulsation einer Pumpe entkoppelt und kann besonders gleichmäßigen
Fließeigenschaften bereitgestellt werden.
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Zweckmäßiger
Weise trennt in den Vorratsbehältern eine elastische Membran
den Elektrolyt von dem komprimierten Fluid. Die elastische Membran
verhindert dabei eine Durchmischung des komprimierten Fluids mit
dem Elektrolyt und/oder, dass das komprimierte Fluid die Qualität
des Elektrolyts beeinträchtigt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Pumpe einen oder mehrere
der Vorratsbehälter mit Elektrolyt auffüllt, wenn
dieser Vorratsbehälter oder diese Vorratsbehälter
von der Arbeitsstation entkoppelt sind. Das kann insbesondere auch
dazu führen, dass eine zeitgleiche elektrochemische Bearbeitung
aus einem Vorratsbehälter und eine Befüllung (wenigstens)
eines weiteren Vorratsbehälters durchgeführt werden.
Es handelt sich dabei um ein besonders umweltschonendes und wirtschaftliches
Verfahren, weil bei dem Auffüllen der Vorratsbehälter
bereits verwendeter Elektrolyt wiederverwendet werden kann.
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Einem
weiteren Aspekt dieser Erfindung folgend, wird auch eine Vorrichtung
zur Bereitstellung eines Elektrolyts zur elektrochemischen Bearbeitung eines
Werkstücks vorgeschlagen. Dieses weist zumindest eine Bearbeitungsstation
zur Aufnahme zumindest eines Werkstücks mit mindestens
einem Werkzeug auf. Außerdem hat sie zumindest ein Elektrolytbereitstellsystem
zur Bereitstellung von Elektrolyt zur Bearbeitung des Werkstücks,
wobei das Elektrolytbereitstellsystem eine Mehrzahl von Vorratsbehältern
zur Aufnahme von Elektrolyt aufweist, die separat von der zumindest
einen Bearbeitungsstation entkoppelbar und zuschaltbar (koppelbar)
sind.
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Diese
Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des hier
beschriebenen Verfahrens angewendet werden. Bei dem hier angegebenen
Werkzeug handelt es sich insbesondere um eine Elektrode zur ECM-Bearbeitung.
Unter Vorratsbehältern sind insbesondere gasdichte Druckbehälter
mit einer oder mehreren Kammern zu verstehen. Diese Vorratsbehälter
können mit zumindest einer Bearbeitungsstation gekoppelt
bzw. entkoppelt werden. Darunter ist insbesondere zu verstehen,
dass der sich in den Vorratsbehältern befindende Elektrolyt über
Verbindungsleitungen zu einer Bearbeitungsstation geleitet werden
kann und dass der Elektrolytzufluss bspw. durch Ventile in den Verbindungsleitungen
separat für jeden Vorratsbehälter unterbunden
werden kann. Auch wenn grundsätzlich möglich ist,
dass die Vorratsbehälter ungleich sind, ist doch eine (z.
B. im Hinblick auf das Füllvermögen und/oder Fördervermögen)
gleichartige Ausführung aller Vorratsbehälter bevorzugt – damit
kann z. B. auch ein gleichartiger Füllstand für
alle Vorratsbehälter beim Betrieb zum Einsatz kommen.
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Die
Vorrichtung weist zusätzlich noch eine Reihe weiterer Komponenten
auf, wobei hier beispielhaft noch auf die folgenden hingewiesen
wird: So ist beispielsweise eine Strom- bzw. Spannungsversorgung
(Gleichspannung, Pulsstrom, etc.) mit einer geeigneten Regelung
des Stromes bzw. der Spannung während der elektrochemischen
Bearbeitung vorgesehen. Daneben können noch Mittel zur Erfassung
des Elektrolytdrucks in den Vorratsbehältern und/oder Mittel
zur Erfassung von physikalischen Kennwerten vorgesehen sein, die
geeignet sind, den Volumenstrom des Elektrolyts anzugeben, der das
zumindest eine Werkstück durchdringt, und/oder Mittel zur
Erfassung von physikalische Kennwerten, mit deren Hilfe der Volumenstrom
des Elektrolyts, der das zumindest eine Werkstück durchdringt,
berechnet werden kann.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorratsbehälter
Mittel zur Beeinflussung des Elektrolytdrucks aufweisen oder mit
solchen Mitteln in Verbindung bringbar sind. Bei diesen Mitteln
kann es sich u. a. um Kompressoren, Gasdruckkesseln oder Pumpen
handeln. Hier kann ergänzend auch auf die obigen Erläuterungen zum
komprimierten Fluid Bezug genommen werden.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausführungsform
weist die Vorrichtung ein Sammelbecken zur Aufnahme des Elektrolyts
auf, wobei von diesem Sammelbecken zumindest ein Rücklauf
mit einer Pumpe zu den Vorratsbehältern führt.
Durch die Ausgestaltung ist eine Wiederverwendung von bereits verwendetem
Elektrolyt möglich. Hierbei wird der bereits verwendete
Elektrolyt nach dem elektrochemischen Bearbeitungsprozess in dem
Sammelbecken aufgefangen. Bei dem von diesem Sammelbecken zu den
Vorratsbehältern führendem Rücklauf kann
es sich um eine oder mehrere flexible oder starre Verbindungsleitungen
handeln, die eine oder mehrere Pumpen aufweisen. So können
diese Rückläufe entweder fest oder lösbar
mit den Vorratsbehältern verbunden sein. Grundsätzlich
ist hierbei auch bevorzugt, dass wenigstens ein gemeinsamer Teilabschnitt der
Verbindungsleitungen (Rücklauf und/oder hin zur Bearbeitungsstation)
vorgesehen ist, also z. B. ein gemeinsamer Rücklauf-Teilabschnitt,
bei dem der Elektrolyt vom Sammelbecken hin zu allen Vorratsbehältern
geführt (und erst danach aufgeteilt) wird und/oder ein
gemeinsamer Bearbeitungsstation-Versorgungsteilabschnitt unmittelbar
vor der Bearbeitungsstation. Je nach Anordnung der Pumpe(n) in diesem
System der Verbindungsleitungen, kann die Belastung der Pumpe(n)
angepasst werden.
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Die
Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand
der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen,
dass die Figur eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante
der Erfindung zeigt, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist.
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung 1 zur Bereitstellung eines
Elektrolyts 5 zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks 2.
Das Werkstück 2 befin det sich in einer Bearbeitungsstation 3 und
ist über Verbindungsleitungen 9 mit einem ersten Vorratsbehälter 6 und
mit einem zweiten Vorratsbehälter 7 verbunden.
Ferner ist an der gewünschten Bearbeitungsstelle in oder
an dem Werkstück 2 ein hier nur schematisch dargestelltes
Werkzeug 4 angeordnet. Der erste Vorratsbehälter 6 und
der zweite Vorratsbehälter 7 können jeweils
(zu vorgebbaren Zeitpunkten und/oder unabhängig voneinander)
mit Hilfe des ersten Ventils 21 und des zweiten Ventils 22 von
dem Werkstück 2 entkoppelt bzw. gekoppelt werden.
Bei dem in 1 gezeigtem ersten Vorratsbehälter 6 und
zweiten Vorratsbehälter 7 handelt es sich jeweils
um Druckbehälter, die jeweils zwei durch eine erste elastische
Membran 15 und eine zweite elastische Membran 20 getrennte
Kammern aufweisen. Die jeweils oberen Kammern dienen der Aufnahme eines
ersten komprimierten Fluids 14 und eines zweiten komprimierten
Fluids 19. Diese Fluide 14, 19 wirken über
die erste elastische Membran 15 und die zweite elastische
Membran 20 auf den sich in den unteren Kammern befindenden
Elektrolyt 5. Das erste komprimierte Fluid 14 wird
aus einem ersten Mittel zur Beeinflussung des Elektrolytdrucks 10 (Fluid-Druck-System)
bereitgestellt. Dabei handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel
um einen unter Überdruck stehenden Gaskessel, der mit einem
ersten Mittel zur Erfassung des Elektrolytdrucks 8 gekoppelt
ist. Das zweite komprimierte Fluid 19 wird aus einem zweiten
Mittel zur Beeinflussung des Elektrolytdrucks 17 bereitgestellt.
Bei diesem zweiten Mittel zur Beeinflussung des Elektrolytdrucks 17 handelt es
sich ebenfalls um einen unter Überdruck stehenden Gaskessel.
Dieser ist mit einem zweiten Mittel zur Erfassung des Elektrolytdrucks 16 gekoppelt.
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Der
bereits verwendet Elektrolyt 5 wird in einem Sammelbecken 11 aufgefangen.
Mit Hilfe eines ersten Rücklaufs 12 mit einer
ersten Pumpe 13 und einem zweiten Rücklauf 23 mit
einer zweiten Pumpe 18 können der erste Vorratsbehälter 6 und
der zweite Vorratsbehälter 7 wieder mit Elektrolyt 5 aufgefüllt werden,
wenn die se mit Hilfe des ersten Ventils 21 oder des zweiten
Ventils 22 vom Werkstück 2 entkoppelt
sind.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Bearbeitungsstation
- 4
- Werkzeug
- 5
- Elektrolyt
- 6
- erster
Vorratsbehälter
- 7
- zweiter
Vorratsbehälter
- 8
- erstes
Mittel zur Erfassung des Elektrolytdrucks
- 9
- Verbindungsleitung
- 10
- erstes
Mittel zur Beeinflussung des Elektrolytdrucks
- 11
- Sammelbecken
- 12
- erster
Rücklauf
- 13
- erste
Pumpe
- 14
- erstes
komprimiertes Fluid
- 15
- erste
elastische Membran
- 16
- zweites
Mittel zur Erfassung des Elektrolytdrucks
- 17
- zweites
Mittel zur Beeinflussung des Elektrolytdrucks
- 18
- zweite
Pumpe
- 19
- zweites
komprimiertes Fluid
- 20
- zweite
elastische Membran
- 21
- erstes
Ventil
- 22
- zweites
Ventil
- 23
- zweiter
Rücklauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0802009
B1 [0002]
- - EP 1179379 A1 [0002]