DE102011106928B4 - Verfahren, Vorrichtung und Verwendung eines Verfahrens zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs - Google Patents

Abstract

Verfahren zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs umfassend die Schritte:- Aufnehmen eines Werkstückes (5) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff durch eine Werkstückaufnahme (3);- Anordnen eines Elektrodenhalters (9) mit einer Elektrode (13) an das Werkstück (5), wobei der Elektrodenhalter (5) entlang einer Verlagerungsrichtung (Z) relativ zur Werkstückaufnahme (3) linear mittels eines Antriebs (7) verlagerbar ist;- Vorgeben einer zeitlich variierenden periodischen Soll-Positionsfunktion z(t) des Elektrodenhalters (9) zwischen einem unteren Totpunkt (Z) und einem oberen Totpunkt (Z), wobei eine Periode zum Zeitpunkt Tbeginnt und eine Periodendauer von ΔTaufweist und wobei die Elektrode (13) am unteren Totpunkt (Z) des Elektrodenhalters (9) einen geringeren Abstand d zum Werkstück aufweist als am oberen Totpunkt (Z);- Bewegen des Elektrodenhalters (9) gemäß der Soll-Positionsfunktion z(t);- optisches Erfassen der Ist-Position z(T) des Elektrodenhalters (9) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt Tmit T< T< T+ΔT;- optisches Erfassen der Ist-Position z(T) des Elektrodenhalters (9) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt Tmit T< T< T+ΔTund T< T;- Berechnen einer Stellgröße Panhand der Ist-Positionen z(T) und z(T);- Verringern des unteren Totpunkts (Z) für den Fall, dass die Stellgröße Pum einen vorbestimmten Schwellwert ΔP kleiner ist als eine Referenzstellgröße P, wobei durch das Verringern des unteren Totpunkts (Z) eine Verlagerung der Elektrode (13) hin um Werkstück (5) erfolgt;- Vergrößern des unteren Totpunkts (Z) für den Fall, dass die Stellgröße Pum einen vorbestimmten Schwellwert ΔP größer ist als eine Referenzstellgröße P;- Regeln des Antriebs (7) als Funktion der zum Zeitpunkt t vorgegebenen Soll-Position z(t) und der erfassten Ist-Position z(t).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs, eine Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung zur Bearbeitung eines Dünnfilmwerkstückes bzw. zur Herstellung eines medizinischen Implantats.
• Das elektrochemische Abtragen wird verwendet, um Vertiefungen mit vordefinierten Geometrien in leitfähigen metallischen Werkstücken zu erzeugen. Dabei wird der Werkstoff des Werkstücks mittels einer Elektrode und eines Elektrolyten unter anlegen eines lokalen hohen elektrischen Stroms anodisch abgetragen. Um ein Auflösen der Flanken zu verhindern, wird der Arbeitsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück so klein wie möglich gehalten, bevorzugt liegt der Elektrodenabstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück in einem Bereich von 1 µm bis 2 mm . Die Elektrode durchfährt dabei eine oszillierende Bewegung um ein ausreichendes Spülen des Werkstücks mit dem Elektrolyten zur Entfernung der abgetragenen Partikel zu erreichen. Der durch die Bearbeitung sich vergrößernde Arbeitsspalt zwischen Werkstück und Elektrode sollte für eine homogene Bearbeitung, während des Bearbeitungsprozesses, konstant gehalten werden. Beim kleinsten Elektrodenabstand während des Oszillierens der Elektrode werden Strompulse abgegeben, die einen elektrochemischen Werkstoffabtrag bewirken. Durch diesen Abtrag des Werkstoffes wird eine kontinuierliche Regelung des Elektrodenabstands notwendig um eine gleichbleibende Bearbeitung zu ermöglichen.
• WO 01/30526 A1 beschreibt eine elektrochemische Bearbeitungstechnik, welche das Bewegen einer Kathode in Richtung eines anodischen Werkstückes umfaßt. Ein Strom fließt durch einen Elektrolyten, der zwischen der Kathode und Werkstück strömt, so daß von dem Werkstück abgetragenes Material weggespült wird. Eine Schwingungsbewegung der Kathode wird erfaßt und der zwischen Kathode und Werkstück fließende Strom wird variiert. Die Schwingungsbewegung umfaßt eine primäre Sinusschwingung und eine sekundäre Ultraschallschwingung, wobei die Stromänderung mit der primären Schwingung synchronisiert ist, so daß Stromimpulse und Ultraschallschwingungs-impulse zusammenfallen.
• DE 10 2006 045 664 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung des Abstandes zwischen einer Elektrode und einem Werkstück bei der elektrochemischen Metallbearbeitung, wobei die Elektrode von einem oszillierenden Antriebssystem bewegt wird, bei dem ein Beschleunigungssignal des oszillierenden Antriebssystems aufgenommen wird, das Beschleunigungssignal in einzelne Abschnitte zerlegt wird, charakteristische Größen der einzelnen Abschnitte des Beschleunigungssignals bestimmt werden, die charakteristischen Größen der einzelnen Abschnitte miteinander verglichen werden und der Abstand der Elektrode zum Werkstück bei einer Abweichung der charakteristischen Größen von den vorgegebenen Werten angepaßt wird.
• DE 10 2006 034 116 A1 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer Elektrode, wobei das Werkstück und die Elektrode von einem Elektrolyten umspült werden und die Elektrode eine Vorschubbewegung und eine Oszillationsbewegung ausführt, wodurch Material von der Oberfläche des Werkstückes abgetragen wird. Die Oszillationsbewegung der Elektrode wird in dem in dem Werkstück zugewandten Umkehrpunkt für eine kurze Zeit angehalten.
• DE 24 55 544 A1 beschreibt ein Verfahren zur Funkenerosions-bearbeitung von Werkstücken mittels einer Elektrode, die von einem motorisch angetriebenen Schlitten getragen und relativ zum Schlitten mittels eines doppelt wirkenden hydraulischen Vorschubzylinders mit gesteuerter Vorschub-geschwindigkeit relativ zum Werkstück bewegt wird. Während des Erodierens ist der gesteuerte Arbeitsweg des Kolbens im Vorschubzylinder kleiner ist als der maximale Kolbenweg und bei Erreichen des vorderen Totpunktes des Arbeitsweges wird der Schlitten um die Länge des Arbeitsweges nachgeführt, während gleichzeitig der Kolben unter Einhaltung des eingestellten Brennspaltes am Werkstück bis zum oberen Totpunkt des Arbeitsweges zurückgeht.
• Es ist somit Aufgabe ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Verwendung eines Verfahrens bereitzustellen, welche(s) in einfacher Weise eine gleichbleibende Bearbeitung eines Werkstücks erlaubt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs mit den Merkmalen des Anspruch 1, eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6, und einer Verwendung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Verfahren zum elektrochemischen Abtragen gemäß einem Aspekt
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs umfassend die Schritte:
• - Aufnehmen eines Werkstückes aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff durch eine Werkstückaufnahme;
• - Anordnen eines Elektrodenhalters mit einer Elektrode an das Werkstück, wobei der Elektrodenhalter entlang einer Verlagerungsrichtung Z relativ zur Werkstückaufnahme linear mittels eines Antriebs verlagerbar ist;
• - Vorgeben einer zeitlich variierenden periodischen Soll-Positionsfunktion zs(t) des Elektrodenhalters zwischen einem unteren Totpunkt (Z_UT ) und einem oberen Totpunkt (Z_OT ), wobei eine Periode zum Zeitpunkt T_R beginnt und eine Periodendauer von ΔT_R aufweist und wobei die Elektrode am unteren Totpunkt (Z_UT ) des Elektrodenhalters einen geringeren Abstand d zum Werkstück aufweist als am oberen Totpunkt (Z_OT );
• - Bewegen des Elektrodenhalters gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t);
• - optisches Erfassen der Ist-Position z(T₁) des Elektrodenhalters zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₁ mit T_R< T₁< T_R+ΔT_R;
• - optisches Erfassen der Ist-Position z(T₂) des Elektrodenhalters zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₂ mit T_R< T₂< T_R+ΔT_R und T₁ < T₂;
• - Berechnen einer Stellgröße P_S anhand der Ist-Positionen z(T₁) und z(T₂);
• - Verringern des unteren Totpunkts (Z_UT ) für den Fall, dass die Stellgröße Ps um einen vorbestimmten Schwellwert ΔP kleiner ist als eine Referenzstellgröße Px, wobei durch das Verringern des unteren Totpunkts (Z_UT ) eine Verlagerung der Elektrode hin um Werkstück erfolgt;
• - Vergrößern des unteren Totpunkts (Z_UT ) für den Fall, dass die Stellgröße P_S um einen vorbestimmten Schwellwert ΔP größer ist als eine Referenzstellgröße Px;
• - Regeln des Antriebs als Funktion der zum Zeitpunkt t vorgegebenen Soll-Position z_S(t) und der erfaßten Ist-Position z(t).
• Vorteilhafterweise ist das optische Erfassen der Ist-Position des Elektrodenhalters unabhängig von dem Zustand eines Elektrolyten zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Insbesondere beeinflussen durch den Werkstoffabtrag bedingte zeitliche Variationen der Werkstückgeometrie, der Elektrolytmenge, des Elektrolytdrucks, der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyts und des Arbeitsspaltes vorteilhafterweise nicht die erfaßte Ist-Position z(t) des Elektrodenhalters. Dadurch kann eine Regelung des Antriebs, welcher den Elektrodenhalter in oszillierender Bewegung hält, in präziser Weise auf Grundlage der Soll-Position z_S(t) und der optisch erfaßten Ist-Position z(t) erfolgen.
• Weiter vorteilhafterweise kann die Auswertung der zum Regeln benötigten Steuergröße, das heißt der Ist-Position unmittelbar erfolgen, wobei keine zusätzliche Auswertung von Zwischenschritten nötig ist, wie dies zum Beispiel der Fall wäre, wenn die Ist-Position aufgrund von Beschleunigungsmessungen ermittelt werden müßte.
• Das Abtragen des Werkstoffes erfolgt durch das zumindest zeitweise Anlegen einer Spannung an die Elektrode und das Werkstück, so daß ein Strom über die Elektrode und den Elektrolyten in das Werkstück fließt. Aufgrund einer hoher Stromdichte und abhängig von der gewählten fließenden Stromstärke wird der Werkstoff des Werkstückes im Bereich der Elektrode abgetragen. Der Elektrolyt nimmt den abgetragenen Werkstoff auf. Durch eine Spülvorrichtung kann kontinuierlich frischer Elektrolyt im Bereich der Elektrode bereitgestellt werden, wobei der abgetragene Werkstoff mit dem Elektrolyten weggespült wird.
• Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens
• Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Schritte:
• - Kontaktieren des Werkstückes mit der Elektrode zum Zeitpunkt T₀ , wobei ein Abstand d(T₀) zwischen der Elektrode und einer zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks null ist;
• - Speichern der erfaßten Ist-Position z(T₀) des Elektrodenhalters zum Zeitpunkt T₀.
• Dadurch kann vorteilhafterweise eine Initialisierung durchgeführt werden, so daß in Abhängigkeit vom aufgenommenen Werkstück die initiale Ist-Position (Initialposition) des Elektrodenhalters bzw. der Elektrode bestimmt ist.
• Vorzugsweise umfaßt das Verfahren den Schritt:
• - Bestimmen des unteren Totpunkts Z_UT in Abhängigkeit von der erfaßten Ist-Position z(T₀) des Elektrodenhalters zum Zeitpunkt T₀ .
• Insbesondere kann die Elektrode aufgrund der Initialisierung durch ein Verlagern entlang der Verlagerungsrichtung Z von der Initialposition in eine Richtung weg vom Werkstück verlagert werden, so daß bei einer anschließenden Oszillation der Elektrode der untere Totpunkt Z_UT einem vorbestimmten Abstand zum Werkstück entspricht.
• Insbesondere entspricht die Änderung des unteren Totpunkts Z_UT einem Vorschub der Elektrode in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks. Dieser Vorschub ist aufgrund des voranschreitenden Werkstoffabtrags von dem Werkstück notwendig, damit die Elektrode einen im wesentlichen konstanten Abstand zu der zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks einhält, wodurch die Bearbeitung vorteilhafterweise besonders gleichmäßig erfolgt.
• Weiter vorteilhafterweise kann die Regelung unter Berücksichtigung der erfaßten Ist-Positionen z(T₁) und z(T₂) zu den zwei ausgezeichneten Zeitpunkten erfolgen, da durch die Erfindung unter anderem erkannt wurde, daß die Ist-Positionen abhängig von der zeitlich veränderlichen Geometrie des Werkstückes ist, insbesondere abhängig von der Größe des Arbeitsspaltes zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Daher können die erfaßten Ist-Positionen z(T₁) und z(T₂) in die Regelung des Antriebs derart einfließen, daß der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück konstant gehalten werden kann. Vorteilhafterweise kann die Regelung dieses Abstandes zur jeder Periode der Oszillation er Elektrode erfolgen, so daß die Größe des Arbeitsspaltes kontinuierlich, insbesondere mehrmals pro Sekunde, bevorzugt in jeder Hubbewegung, nachgeregelt werden kann.
• Vorzugsweise umfaßt das Verfahren den Schritt:
• - Berechnen der Stellgröße Ps mit Ps = (z_S(T₁)-z(T₁)) /(z_S(T₂)-z(T₂)).
• Bevorzugt umfaßt das Verfahren den Schritt:
• - Bestimmen der Referenzstellgröße Px mit den folgenden Bestimmungsschritten:
• -- Bestimmen eines unteren Referenztotpunkts X_UT , so daß die Elektrode einen vorbestimmten Referenzabstand d_R zum Werkstück aufweist;
• -- Bewegen des Elektrodenhalters gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t);
• -- Erfassen einer Referenz-Ist-Position x(T₁) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₁ mit T_R< T₁ < T_R+ΔT_R;
• -- Erfassen einer Referenz-Ist-Position x(T₂) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₂ mit T_R< T₂< T_R+ΔT_R und T₁ < T₂;
• -- Bilden der Referenzstellgröße als Funktion der bestimmen Ist-Positionen und der vorgegebenen Soll-Positionen zu P_x = (z_S(T₁)-x(T₁)) /(z_S(T₂)-x(T₂)).
• Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Schritte:
• - Berechnen einer Stellgröße P_S mit Ps = (z_S(T₁)-z(T₁)) /(T₂-T₁);
• - Verringern des unteren Totpunkts Z_UT für den Fall, daß die Stellgröße Ps um einen vorbestimmten Schwellwert ΔP kleiner ist als eine Referenzstellgröße Px;
• - Vergrößern des unteren Totpunkts Zur für den Fall, daß die Stellgröße Ps um einen vorbestimmten Schwellwert ΔP größer ist als eine Referenzstellgröße Px.
• Bevorzugt umfaßt das Verfahren den Schritt:
• - Bestimmen der Referenzstellgröße Px mit den folgenden Bestimmungsschritten:
• -- Bestimmen eines unteren Referenztotpunkts X_UT , so daß die Elektrode einen vorbestimmten Referenzabstand d_R zum Werkstück aufweist;
• -- Bewegen des Elektrodenhalters gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t);
• -- Bestimmen einer Referenz-Ist-Position x(T₁) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₁ mit T_R< T₁< T_R+ΔT_R;
• -- Bestimmen einer Referenz-Ist-Position x(T₂) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₂ mit T_R < T₂< T_R+ΔT_R und T₁ < T₂;
• -- Bilden der Referenzstellgröße als Funktion der bestimmen Ist-Positionen und der vorgegebenen Soll-Positionen zu P_x = (z_S(T₁)-x(T₁)) /(T₂-T₁).
• Bevorzugt werden die Referenzstellgrößen P_x für verschiedene untere Referenztotpunkte X_UT bestimmt und in einer Datenbank gespeichert, so daß diese Referenzstellgrößen ohne eine erneute Bestimmung für die Bearbeitung eines Werkstücks in Abhängigkeit eines gewählten unteren Totpunkts abgerufen werden können. Die Amplitude der Oszillation der Elektrode bzw. des Elektrodenhalters kann variabel sein. Weiter bevorzugt wird die Amplitude der Oszillation der Elektrode bzw. des Elektrodenhalters konstant gehalten. Mit anderen Worten ist die Differenz von oberem Totpunkt und unterem Totpunkt Z_OT - Z_UT zeitlich konstant und insbesondere gleich der Differenz zwischen einem oberen Referenztotpunkt und dem unteren Referenztotpunkt X_OT - X_UT.
• Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen gemäß einem Aspekt
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs umfassend:
• - eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines Werkstückes;
• - ein Antrieb mit einem Elektrodenhalter, wobei der Elektrodenhalter entlang einer Verlagerungsrichtung Z relativ zur Werkstückaufnahme linear verlagerbar ist;
• - eine Elektrode, welche an dem Elektrodenhalter angeordnet ist,
• - eine optische Positionserfassungsvorrichtung, durch welche die räumliche Ist-Position z(t) des Elektrodenhalters zum Zeitpunkt t optisch erfaßbar ist;
• - eine Antriebsregelung, welche den Antrieb nach dem im Vorgang beschriebenen Verfahren regelt.
• Durch die Werkstückaufnahme ist ein Werkstück aufnehmbar, insbesondere fixierbar. Der Begriff „fixierbar“ bedeutet, daß das Werkstück insbesondere während der Bearbeitung relativ zur Werkstückaufnahme nicht beweglich ist.
• Der Antrieb für den Elektrodenhalter ist ausgelegt den Elektrodenhalter bzw. die Elektrode entlang der Verlagerungsrichtung Z zu bewegen bzw. zu verlagern. Insbesondere ist der Antrieb ein Linearantrieb bzw. Linearmotor, welcher den Elektrodenhalter ausschließlich entlang der Verlagerungsrichtung Z verlagern kann. Bevorzugt kann die Elektrode einstückig mit dem Elektrodenhalter ausgebildet sein.
• Die optische Positionserfassungsvorrichtung ist dazu ausgelegt eine räumliche Ist-Position des Elektrodenhalters bzw. der Elektrode entlang der Verlagerungsrichtung Z zum Zeitpunkt t optisch zu erfassen. Insbesondere kann der Elektrodenhalter einen optischen Encoder umfassen, der bevorzugt eine alternierende Abfolge heller und dunkler Flächen aufweist, welche optisch von einer Auswerteeinheit erfaßbar sind. Die Abfolge heller und dunkler Flächen kann auch als Meßraster bezeichnet werden.
• Die Antriebsregelung ist mit der Auswerteeinheit und dem Antrieb verbunden, so daß die Antriebsregelung den Antrieb in Abhängigkeit von einer zu einem Zeitpunkt t vorgegebenen Soll-Position zs(t) des Elektrodenhalters und in Abhängigkeit von der mittels der Positionserfassungsvorrichtung erfaßten Ist-Position z(t) des Elektrodenhalters regeln kann. Die Soll-Position z_S(t) des Elektrodenhalters kann dabei derart vorgebbar sein, daß der Elektrodenhalter eine, insbesondere periodische, Schwingung bzw. Oszillation zwischen einem unteren Umkehrpunkt bzw. unteren Totpunkt mit der Position Z_UT und einem oberen Umkehrpunkt bzw. oberen Totpunkt mit der Position Z_OT ausführt. Dabei weist die Elektrode am unteren Totpunkt Zur einen geringeren Abstand d zum Werkstück auf als am oberen Totpunkt Z_OT .
• Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung
• Vorzugsweise umfaßt die optische Positionserfassungsvorrichtung ein an dem Elektrodenhalter angeordnetes Meßraster und eine optische Erfassungseinrichtung zum optischen Erfassen des Meßrasters. Eine Verlagerung des Elektrodenhalters kann bevorzugt mittels der Abtastung des Meßrasters durch einen Laserstrahl und die optische Erfassungseinrichtung ermittelt werden, wobei die Auswerteeinheit die Reflexion der Laserstrahls an den Flächen des Meßrasters auswertet.
• Vorzugsweise umfaßt der Antrieb eine Tauchspule, in welcher der Elektrodenhalter zumindest bereichsweise angeordnet ist. Der Antrieb für den Elektrodenhalter umfaßt bevorzugt eine Tauchspule bzw. eine Schwingspule zum Aktuieren des Elektrodenhalters. Der Elektrodenhalter kann dabei auf einem metallischen und/oder magnetischen Material ausgebildet sein bzw. einen Magneten, beispielsweise einen Permanentmagneten, aufweisen. Der Elektrodenhalter bzw. der Magnet des Elektrodenhalters ist bevorzugt zumindest bereichsweise in der Tauchspule gelagert bzw. angeordnet, so daß der Elektrodenhalter entlang der Verlagerungsrichtung Z bewegt bzw. verlagert wird, wenn die Tauchspule mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird. Die Verlagerungsrichtung Z steht bevorzugt senkrecht zu einer zu bearbeitenden Fläche des Werkstückes. Die Elektrode ist mit dem Elektrodenhalter durch den Antrieb entlang bzw. entgegen der Verlagerungsrichtung Z linear verlagerbar. Bevorzugt kann die Elektrode einstückig mit dem Elektrodenhalter ausgebildet sein.
• Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung eine Spülvorrichtung, durch welche ein Elektrolyt in einem Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück bereitstellbar ist. Mit anderen Worten spült die Spülvorrichtung bei betriebsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung, das heißt beim Abtragen von Werkstoff von dem Werkstück, den Arbeitsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück kontinuierlich mit einem Elektrolyten. Der Elektrolyt ermöglicht den Stromfluß von der Elektrode zum Werkstück und fördert den abgetragenen Werkstoff von der Elektrode weg.
• Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung gemäß einem Aspekt
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur abtragenden Bearbeitung eines Dünnfilmwerkstücks, insbesondere bestehend aus einer Nickel-Titan-Legierung.
• Werkstücke aus einer Nickel-Titan-Legierung (z.B. Nitinol) lassen sich durch Umformung, beispielsweise durch walztechnische Verfahren oft nicht in einer gewünschten Dicke herstellen, da es immer zu einer materialbedingten Rückfederung kommt. Die dünnste, walztechnisch machbare Strukturdicke liegt bei etwa 50 µm, wobei oftmals Dünnfilmwerkstücke mit einer Dicke von kleiner als 20 µm benötigt werden, beispielsweise für vaskuläre und biomedizinische Implantate.
• Vorteilhafterweise können durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung Dünnfilmwerkstücke aus einer Nickel-Titan-Legierung mit einer Dicke kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 25 µm bearbeitet bzw. erzeugt werden.
• Bevorzugt umfaßt die Verwendung das Bereitstellen eines Halbzeugs aus der Nickel-Titan-Legierung, beispielsweise eines gewalzten Blechs, eines Rohres oder eines Rundlings. Das Halbzeug kann mittels der Elektrode erodiert werden bis die gewünscht Dicke und Struktur erreicht ist. Die pseudoelastischen Eigenschaften der Nickel-Titan-Legierung sind vorteilhafterweise ohne Einfluß auf das Abtragen mittels des elektrochemischen Verfahrens.
• Bearbeitung eines Dünnfilmwerkstückes bzw. Herstellung eines medizinischen Implantats
• Ein exemplarisches Produkt, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar ist, betrifft die Bearbeitung eines Dünnfilmwerkstückes bzw. die Herstellung eines medizinischen Implantats, welches zumindest bereichsweise aus einer Nickel-Titan-Legierung ausgebildet ist, wobei der aus der einer Nickel-Titan-Legierung ausgebildete Bereich eine Dicke von weniger als etwa 50 µm aufweist.
• Bevorzugt ist das herstellbare medizinische Implantat ein mikrostrukturiertes Dünnfilm-Implantat aus einer Nickel-Titan-Legierung, zur Verwendung als Herzklappe, als Stentumhüllung oder als Stützgewebe (Scaffold). Für viele vaskulären und biomedizinische Implantate ist ein miniaturisiertes und mikrostrukturiertes Dünnfilmblech oder Dünnfilmrohr/-hülse aus einer pseudoelastischen Nickel-Titan-Legierung wünschenswert, das als Stützgewebe und zur Zellbesiedelung dient. Dieses Stützgewebe kann z.B. die Funktion einer Herzklappe übernehmen oder dient als „Scaffold“ zur schnellen Endothelialisierung bei Neurodevices. Bei Stents wird durch die Anwendung mit einem dünnen Umhüllung und Stützgewebe der Reibungsdruck auf die Gefäßwand minimiert, was ein besseres Einwachsen und eine geringe Restenoserate zur Folge hat. Solche Geflechtstrukturen können auch zur Behandlung eines „vulnerable plaques“ angewendet werden, um ein Ablösen von Partikeln in den Blutstrom zu verhindern. Aufgrund des Materials und der Mikrostrukturierung kann dieses Stützgewebe dabei vorteilhafterweise sowohl mit biologischem Zellmaterial besiedelt werden, wie auch eingebettet als Composite-Stützgewebe unter Verwendung von polymeren Werkstoffen. Nickel-Titan-Legierungen wie Nitinol haben hier aufgrund der pseudoeleastischen und biokompatiblen Werkstoffeigenschaften Vorteile, die kein anderes (Bio)Material heute bietet.
• Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestelltes Implantat kann somit die Vorteile des Materials der Nickel-Titan-Legierung als auch die Vorteile der erreichbaren dünnen Materialstärken von weniger als 50 µm miteinander verbinden.
• Figurenliste
• Bevorzugte Ausführungsformen eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs werden nachfolgend anhand begleitender Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
• 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs,
• 2 eine Detailansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung,
• 3 ein Flußdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs,
• 4 eine beispielhafte Soll-Positionsfunktion und eine beispielhafte Ist-Positionsfunktion für einen Elektrodenabstand von 200 µm zum Werkstück,
• 5 eine beispielhafte Soll-Positionsfunktion und eine beispielhafte Ist-Positionsfunktion für einen Elektrodenabstand von 50 µm zum Werkstück,
• 6 ein Flußdiagramm zur Durchführung eines Kalibrierungsschritts.
• 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs. Die 2 zeigt eine Detailansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfaßt eine Werkstückaufnahme 3, die zum Aufnehmen eines Werkstückes 5 dient. Die Werkstückaufnahme 3 kann zumindest Fixiereinrichtung (nicht gezeigt) aufweisen, mit welcher das Werkstück 5 zum Bearbeiten einer Fläche 6 des Werkstücks 5 in einer Bearbeitungsposition gehalten bzw. fixiert werden kann. Dazu kann das Werkstück 5 beispielsweise an die Werkstückaufnahme 3 geklemmt, geschraubt und/oder geklebt sein.
• Die Vorrichtung 1 umfaßt weiter einen Antrieb 7 für einen Elektrodenhalter 9.
• Beispielsweise kann der Antrieb 7 eine Tauchspule bzw. eine Schwingspule zum Aktuieren des Elektrodenhalter 9 aufweisen (auch Voice-Coil-Aktuator genannt). Der Elektrodenhalter 9 weist dazu bevorzugt einen Magneten, beispielsweise einen Permanentmagneten, auf, welcher in der Tauchspule gelagert ist. Wird die Tauchspule mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, so erzeugt die Tauchspule des Antriebs 7 ein magnetisches Feld, welches auf den Elektrodenhalter 9 bzw. dessen Magneten wirkt. Dazu kann der Elektrodenhalter 9 bzw. dessen Magnet zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, im Inneren der Tauchspule angeordnet sein. In der Folge wird eine Kraft auf den Elektrodenhalter 9 angelegt, so daß sich der Elektrodenhalter 9 in Abhängigkeit von der Polarität des in der Tauchspule fließenden Stromes entlang oder entgegen einer Verlagerungsrichtung Z verlagert. Der Antrieb 7 mit dem darin gelagerten Elektrodenhalter 9 ist bevorzugt relativ zur Werkstückaufnahme 3 frei positionierbar. Vorzugsweise ist der Antrieb 7 derart positioniert, daß die Verlagerungsrichtung Z senkrecht zu einer Arbeitsfläche 11 der Werkstückaufnahme 3 orientiert ist. An dem Elektrodenhalter 9 ist eine Elektrode 13 angeordnet, welche mittels des Elektrodenhalters 9 und des Antriebs 7 entlang bzw. entgegen der Verlagerungsrichtung Z linear verlagerbar ist. Mit anderen Worten wirkt der Antrieb 7 als Linearmotor für die Elektrode 13. Bevorzugt kann die Elektrode 13 mit dem Elektrodenhalter 9 einstückig ausgebildet sein.
• Die Vorrichtung 1 umfaßt weiter eine optische Positionserfassungsvorrichtung 15, welche eine räumliche Ist-Position des Elektrodenhalters 9 und damit eine räumliche Ist-Position z(t) der Elektrode 13 entlang der Verlagerungsrichtung Z zum Zeitpunkt t optisch erfassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 1 auch andere Positionserfassungsvorrichtung(en) aufweisen, welche die räumliche Ist-Position des Elektrodenhalters 9 mittels magnetfeldbasiert, induktiv und/oder kapazitiv ermittelt. Insbesondere kann der Elektrodenhalter einen optischen Encoder 17 umfassen, wobei der Encoder 17 an dem Elektrodenhalter 9 angeordnet bzw. befestigt oder mit dem Elektrodenhalter 9 einstückig ausgebildet sein kann. Zweckmäßigerweise existiert ein vorbestimmbarer konstanter Abstand z_offset zwischen dem Encoder 17 des Elektrodenhalters und der Elektrode 13, insbesondere einer zur Werkstückaufnahme 3 gewandten Unterkante 19 der Elektrode 13, so daß mit dem Erfassen der Position des Encoders 17 auch die Position der Elektrode 13 bestimmbar ist.
• Der optische Encoder 17 kann eine alternierende Abfolge heller und dunkler Flächen aufweisen, welche optisch von einer Auswerteeinheit 21 erfaßt werden. Beispielsweise kann der optische Encoder 17 als Glasmaßstab ausgebildet sein, wobei auf dem Glasmaßstab ein Meßraster mit einem definierten Rasterabstand ausgebildet ist. Der Rasterabstand kann beispielsweise 10 µm, 20 µm, 50 µm oder 100 µm betragen. Ein Meßraster mit diesen geringen Rasterabständen kann beispielsweise durch Aufdampfen von Metallen auf den Glaskörper ausgebildet sein. Insbesondere mit Hilfe eines Laserstrahls 23 kann die Auswerteeinheit 21 eine Wegänderung mittels des Rasters ermitteln. Die Abtastrate des optischen Encoders 17 bzw. des Glasmaßstabs ist bevorzugt kleiner als 20 ns (dies entspricht einer Abtastfrequenz von größer als 50 MHz), wobei durch die Abtastung durch den Laserstrahl 23 ein quadratisch moduliertes Signal generiert werden kann. Bei einer Positionsänderung des optischen Encoders 17 entlang der Verlagerungsrichtung Z, beispielsweise um 1 µm, wird eine geändertes quadratisch moduliertes Signal von der Auswerteeinheit 21 erfaßt. Jede erfaßte Änderung des Signals entspricht somit beispielsweise einer Verlagerung des optischen Encoderss 17 und damit der Elektrode 13 von einem Mikrometer entlang oder entgegen der Verlagerungsrichtung Z. In Abhängigkeit von dem Rasterabstand kann durch Interpolation bzw. Korrelation die Position des optischen Encoders 17 mit einer Genauigkeit von etwa 1µm, bevorzugt von etwa 100 nm und insbesondere von weniger als etwa 100 nm möglich.
• Die Vorrichtung 1 umfaßt weiter eine Antriebsregelung 25, welche über eine Signalleitung 27 mit der Auswerteeinheit 21 der Positionserfassungsvorrichtung 15 und über eine Steuerleitung 29 mit dem Antrieb 7 verbunden ist. Die Antriebsregelung 25 regelt den Antrieb 7 in Abhängigkeit von einer zu einem Zeitpunkt t vorgegebenen Soll-Position z_S(t) des Elektrodenhalters 9 und der mittels der Positionserfassungsvorrichtung 15 erfaßten Ist-Position z(t) des Elektrodenhalters 9. Die Position der Elektrode ist von der Position des Elektrodenhalters 9 um den konstanten Abstand z_offset verschieden. Die Soll-Position z_S(t) des Elektrodenhalters 9 entspricht dabei in der Regel einer periodischen Schwingung mit einem unteren Umkehrpunkt bzw. unteren Totpunkt mit der Position Z_UT und einem oberen Umkehrpunkt bzw. oberen Totpunkt Z_OT , wobei der Elektrodenhalter 9 bzw. die Elektrode 13 am unteren Totpunkt Zur einen geringeren Abstand d zum Werkstück 5 aufweist als am oberen Totpunkt Z_OT . Beispielsweise kann der Elektrodenhalter 9 beim betriebsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung 1 einer sinusförmigen Schwingung folgen, wie die in 2 gezeigte Funktion der Ist-Position z(t). Es versteht sich jedoch, daß die vorgebbare Soll-Position zs(t) des Elektrodenhalters 9 eine beliebige Funktion der Zeit sein kann, wie zum Beispiel eine Dreiecksfunktion, eine Sägezahnfunktion, eine Rechteckfunktion oder auch nichtlineare Schwingungen und so weiter.
• Bei betriebsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung 1, das heißt beim Abtragen von Werkstoff von dem Werkstück 5 ist ein Elektrolyt 31 in einem Spalt zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5 angeordnet. Der Elektrolyt 31 ermöglicht einen Stromfluß von der Elektrode 13 zum Werkstück 5, wobei die Elektrode 13 berührungsfrei an dem Werkstück 5 positioniert ist. Der Abstand d(t) zwischen der Elektrode 13 und der zu Bearbeitenden Fläche 6 des Werkstücks 5 ist zeitlich variabel und beträgt zwischen etwa 1 µm und etwa 2 mm, bevorzugt zwischen etwa 10 µm und etwa 200 µm, insbesondere unter 50 µm mit einem Toleranzbereich von etwa ±0,2 µm bis etwa ±50 µm.
• Bevorzugt wird beim betriebsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung 1 ein im wesentlichen gleichbleibender Druck des Elektrolyten 31 zwischen Elektrode 13 und Werkstück 5 aufrechterhalten und zwar unabhängig vom Abstand d(t) zwischen Elektrode 13 und Werkstück 5 und dem Hub bzw. dem Abstand zwischen dem unteren Totpunkt Zur und dem oberen Totpunkt Z_OT . Der Druck des Elektrolyten beträgt bevorzugt zwischen etwa 50 kPa (0,5 bar) und etwa 1000 kPa (10 bar) mit einer Drucktoleranz von weniger als ±10% bevorzugt von weniger als ±5%. Mit anderen Worten kann der Druck der Elektrolyten um etwa ±10 kPa bis etwa ±50 kPa abweichen.
• Daher umfaßt die Vorrichtung 1 in der Regel ein Pumpensystem (nicht gezeigt), daß welches ausgelegt ist, den Elektrolyten 31 mit dem erforderlichen Druck bereitzustellen. Dazu fördert das Pumpensystem bevorzugt mit einem kontinuierlichen Druck von etwa 50 kPa bis etwa 500 kPa mit einer Fließrate bis etwa 20 Litern pro Minute. Das Pumpensystem kann eine Membranpumpe mit Windkessel umfassen, wobei der Windkessel dazu dient, die Druckschwankungen auszugleichen die durch die Membranpumpe verursacht werden. Es sind auch andere Dämpfungsglieder denkbar die einen gleichbleibenden Druck ohne Schwankungen erzeugen, beispiel schnelles öffnen/schließen von Bypassventilen. Alternativ kann das Pumpensystem auch eine Kreiskolbenpumpe oder eine Zahnradpumpe umfassen.
• Der Elektrolyt 31 besteht in der Regel aus einer wässrigen Lösung von Natriumnitrat (NaNO₃) oder Natriumchlorid (NaCl) mit einem Salzgehalt von etwa 100g bis 800g pro Liter, bevorzugt 250g/L. Die Viskosität des Elektrolyten 31 beträgt bevorzugt zwischen etwa 0,5 mPas und etwa 5 mPas, insbesondere etwa 1,002 mPas entsprechend der Viskosität von Wasser.
• 3 zeigt ein Flußdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs, welches mit der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung 1 durchführbar ist.
• In einem Vorbereitungsschritt S10 wird ein Werkstück 5 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mittels einer Werkstückaufnahme 3 in der Vorrichtung 1 aufgenommen. In einem Initialisierungsschritt S20 wird der Antrieb 7 und der Elektrodenhalter 9 zu einem zum Zeitpunkt T₀ (Initialisierungszeitpunkt) derart positioniert, daß die Elektrode 13 das Werkstück 5 mechanisch kontaktiert. Mit anderen Worten ist zum Initialisierungszeitpunkt der Abstand d(T₀) zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5 gleich null. Zu diesem Initialisierungszeitpunkt wird die Ist-Position z(T₀) des Elektrodenhalters 9 durch die optische Positionserfassungsvorrichtung 15 erfaßt und gespeichert, beispielsweise in der Antriebsregelung 25.
• In einem Kalibrierungsschritt S30 wird eine periodische Soll-Positionsfunktion zs(t) des Elektrodenhalters 9 vorgegeben. Durch die Funktion der Soll-Position z_S(t) des Elektrodenhalters 9 ist ein unterer Totpunkt Z_UT mit einem minimalen Abstand des Elektrodenhalter 9 bzw. der Elektrode 13 zum Werkstück 5 und ein oberer Totpunkt Z_OT mit einem maximalen Abstand des Elektrodenhalters 9 bzw. der Elektrode 13 zum Werkstück 5 definiert. Ein gewählter Zeitpunkt T_R (Referenzzeitpunkt) kennzeichnet den Beginn einer Periode und eine Periodendauer ΔT_R kennzeichnet die Dauer einer Periode, so daß zu jedem Zeitpunkt t = T_R + N ΔT_R sich die Soll-Positionsfunktion z_S(t) periodisch wiederholt, wobei N eine natürliche Zahl ist. Der Kalibrierungsschritt S30 umfaßt auch ein Wählen eines ersten Zeitpunkts T₁ mit T_R< T₁< T_R+ΔT_R und eines zweiten Zeitpunkts T₂ mit T_R< T₂ < T_R+ΔT_R und T₁ < T₂. Weiter werden dem ersten Zeitpunkt T₁ eine erste Ist-Position z(T₁) und dem zweiten Zeitpunkt T₂ eine zweite Ist-Position z(T₂) der Elektrodenhalters zugeordnet. Auf Grundlage des ersten und zweiten Zeitpunkts relativ zum Referenzzeitpunkt und den zugeordneten Ist-Positionen des Elektrodenhalters erfolgt bei der Durchführung des folgenden Verfahrens eine Abstandsregelung zwischen der Elektrode 13 und der zu bearbeitenden Fläche 6 des Werkstücks 5.
• In einem Verfahrensschritt S40 wird der Elektrodenhalter 9 bzw. die Elektrode 13 vom Werkstück 5 entlang einer Verlagerungsrichtung Z beispielsweise um etwa 1 µm bis etwa 2mm verlagert. Der Abstand der Elektrode 13 zum Werkstück 5 beträgt in diesem Beispiel etwa 10 µm bis etwa 500 µm.
• In einem Verfahrensschritt S42 wird die Spülvorrichtung aktiviert, so daß kontinuierlich ein Elektrolyt 31 zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5 bereitgestellt ist. Die Oszillation des Elektrodenhalter 9 mittels des Antrieb 7 gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t) wird in einem Verfahrensschritt 44 gestartet. Beispielsweise kann die Elektrode 13 im unteren Totpunkt Z_UT der Oszillation einen Abstand von etwa 50 µm zum Werkstück 5 aufweisen. Die Soll-Positionsfunktion zs(t) kann beispielsweise eine Periode ΔT_R von etwa 1 ms bis 1s aufweisen, das heißt, daß der Elektrodenhalter 9 mit einer Frequenz von etwa 1 Hz bis 1 kHz schwingt.
• In einem Verfahrensschritt S50 wird zumindest für einen Bruchteil der Periodenlänge ΔT_R eine elektrische Spannung an der Elektrode angelegt, so daß ein Strom von der Elektrode 13 über den Elektrolyten 31 zum Werkstück 5 fließt. Aufgrund des fließenden Stroms wird im Bereich der Elektrode 13 ein Teil des Werkstoffes von der Oberfläche des Werkstücks 5 abgetragen und mittels des Elektrolyten 31 weggeschwemmt. Bevorzugt wird lediglich ein Spannungsimpuls an der Elektrode 13 angelegt, wenn der Elektrodenhalter 9 bzw. die Elektrode 13 in der Nähe des unteren Totpunktes positioniert ist. Vorteilhafterweise erreicht die Stromdichte des zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5 fließenden Stromes dann einen Wert nahe des maximalen erreichbaren Wertes. Beispielsweise kann der Spannungsimpuls eine Dauer von etwa 100ns oder der halben Periodendauer aufweisen. Es können auch mehrere Spannungspulse nachfolgend hintereinander geschaltet werden in der Zeit in dem sich die Elektrode im Z_UT befindet. Im Bereich von 100ns bis mehrere ms, Bevorzugt 1µs bis 1ms.
• Im Verfahrensschritt S52 wird innerhalb der Periode zu dem im Kalibrierungsschritt S30 festgelegten ersten Zeitpunkt T₁ die Ist-Position z(T₁) des Elektrodenhalter 9 bzw. der Elektrode 13 bestimmt. Analog wird im Verfahrensschritt S54 innerhalb der Periode zu dem im Kalibrierungsschritt S30 festgelegten zweiten Zeitpunkt T₂ die Ist-Position z(T₂) des Elektrodenhalter 9 bzw. der Elektrode 13 bestimmt.
• In einem Verfahrensschritt S56 wird anhand der in den Verfahrensschritten S52 und S54 bestimmten Ist-Positionen eine Stellgröße P_S ermittelt. Bevorzugt ist die Stellgröße Ps gleich einer Steigung berechnet aus den Ist-Position gemäß der Gleichung P_S = (z(T₂)-z(T₁)) / (T₂-T₁). Alternativ kann die Stellgröße Ps durch die Gleichung P_S = (z_s(T₁)-z(T₁)) / (z_S(T₂)-z(T₂)) berechnet werden, welche auf den Abweichungen zwischen den bestimmten Ist-Positionen und den dazugehörigen Soll-Positionen basiert. Es können auch Berechnungen über Differenzial-, Integralgleichungen oder weitere mathematische Funktionen erfolgen.
• In einem Verfahrensschritt S58 wird ermittelt, ob die Stellgröße Ps innerhalb eines vorbestimmten Intervalls ΔP um eine Referenzstellgröße Px liegt. Das Intervall kann auch als Schwellwert ΔP bezeichnet werden und wird größer als null gewählt, um ein ständiges Regeln während der Durchführung des Verfahrens aufgrund minimaler Unterschreitungen bzw. Überschreitungen der Referenzstellgröße Px durch die Stellgröße P_S zu verhindern.
• Für den Fall, daß die Stellgröße Ps innerhalb des Intervalls Px - ΔP < Ps < Px + ΔP liegt, wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt S50 fortgesetzt. Liegt eine größere Abweichung der Stellgröße Ps von der Referenzstellgröße Px vor, wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt S60 fortgesetzt.
• Im Verfahrensschritt S60 wird geprüft, ob die Stellgröße P_S um den vorbestimmten Schwellwert ΔP kleiner ist als die Referenzstellgröße Px, wobei in diesem Fall die Funktion der Soll-Position z_S(t) um eine Konstante (beispielsweise um 1 µm) verringert wird, so daß der untere Totpunkt Zur ebenfalls verringert wird und die Elektrode näher zum Werkstück 5 hin verlagert wird. Ist die Stellgröße P_S jedoch um den vorbestimmten Schwellwert ΔP größer ist als die Referenzstellgröße P_X , so wird die Funktion der Soll-Position zs(t) um die Konstante vergrößert, so daß der untere Totpunkt Zur ebenfalls vergrößert wird und die Elektrode weiter vom Werkstück 5 weg verlagert wird. Dadurch kann vorteilhafterweise während des Abtragens des Werkstoffes der Abstand der Elektrode 13 zum Werkstück 13 konstant gehalten werden, um die auftretende Stromdichte ebenfalls konstant zu halten und das Erodieren des Werkstoffes zu verbessern. Dabei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß die Abweichung zwischen den Soll-Positionen z_S(t) und den Ist-Positionen z(t), welche durch die Trägheit der Antriebsregelung, die Trägheit der oszillierenden Massen und der Dämpfung aufgrund der Oberflächenspannung des Elektrolyten zwischen der Elektrode und dem Werkstück zwangsläufig auftritt, abhängig von dem Eletrodenabstand d zwischen der Elektrode 13 und der zu bearbeitenden Fläche 6 des Werkstücks 5 ist.
• Die 4 zeigt eine beispielhafte Soll-Positionsfunktion z_S(t) und eine beispielhafte Ist-Positionsfunktion z(t) für den Elektrodenhalter 9, so daß ein Elektrodenabstand von d=200 µm zum Werkstück 5 ausgebildet ist. Die Soll-Positionsfunktion zs(t) ist eine periodische Funktion mit einer Periodendauer von ΔT_R. Zeitpunkte T_R mit einer konstanten Phase der Soll-Positionsfunktion z_S(t) bilden jeweils den Anfang einer Periode. Zu der Soll-Positionsfunktion z_S(t) zeitlich verzögert folgt die Ist-Positionsfunktion z(t). Bedingt durch die Trägheit des oszillierenden Systems weist die Ist-Positionsfunktion z(t) in einem Überschwingungsbereich 33 Positionen auf, die unterhalb des gewünschten unteren Totpunktes Zur liegen.
• Der Funktionsverlauf im Überschwingungsbereich 33 kann durch zwei Ist-Positionen charakterisiert werden, die zeitlich in diesen Überschwingungsbereich 33 fallen. Dazu können zwei Zeitpunkte T1 und T2 ausgewählt werden, in den die Ist-Position kleiner ist als der gewünscht untere Totpunkt bzw. der untere Totpunkt der Soll-Positionsfunktion, das heißt, zwei Zeitpunkte für die gilt: z(T₁) < Zur und z(T₂) < Zur. Die Ist-Positionen z(T₁) < Zur und z(T₂) zu diesen Zeitpunkten können zur Berechnung einer Stellgröße P_S verwendet werden. Es versteht sich, daß auch zwei Zeitpunkte T1 und T2 ausgewählt werden können, in den die Ist-Position größer ist als der gewünscht untere Totpunkt bzw. der untere Totpunkt der Soll-Positionsfunktion. Als Stellgröße kann beispielsweise die Steigung zwischen den beiden ausgewählten Punkten dienen, so daß gilt: Ps = (z(T₂)-z(T₁)) /(T₂-T₁).
• In dem in der 4 gezeigten Beispiel ist die Steigung für den Elektrodenabstand d=200 µm negativ. Ändert sich der Elektrodenabstand zum Werkstück, so ändert sich in Abhängigkeit von der Viskosität und der Oberflächenspannung des Elektrolyten, welcher in dem Spalt zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5 vorhanden ist, die auf das oszillierende System wirkende Dämpfung.
• Die 5 zeigt eine beispielhafte Soll-Positionsfunktion z_S(t) und eine beispielhafte Ist-Positionsfunktion z(t) für einen Elektrodenabstand von d=50 µm zum Werkstück. Die Soll-Positionsfunktion zs(t) weist eine zu der in 4 gezeigten Funktion identische Form auf, wobei der untere Totpunkt Z_UT verkleinert wurde, um einen geringeren Elektrodenabstand zu erreichen. Entsprechend wurde der obere Totpunkt Z_OT verkleinert, so daß die Differenz zwischen dem oberen und unteren Totpunkt konstant bleibt. Die zu der Soll-Positionsfunktion z_S(t) zeitlich verzögert folgende Ist-Positionsfunktion z(t) weist jedoch eine zur der in der 4 gezeigten Ist-Positionsfunktion z(t) veränderte Form auf, insbesondere in dem Überschwingungsbereich 33.
• Der Funktionsverlauf im Überschwingungsbereich 33 ist insbesondere zu den zwei ausgewählten Zeitpunkten T1 und T2 verschieden. Daher können die Ist-Positionen zu diesen zwei Zeitpunkten z(T₁) und z(T₂) zur Bestimmung und zur Regelung des Elektrodenabstandes genutzt werden. Die beispielhafte Stellgröße P_S, also die Steigung zwischen den beiden ausgewählten Punkten Ps = (z(T₂)-z(T₁)) / (T₂-T₁). ist für den beispielhaften Elektrodenabstand d=50 µm positiv. Die Veränderung des Überschwingverhaltens ergibt sich aus der Verkleinerung des Spaltes zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5. Es versteht sich, daß zur Detektion bzw. Quantifizierung des Elektrodenabstandes d keine Vorzeichenwechsel der Steigung bzw. der Stellgröße Ps notwendig ist. Vielmehr kann eine Abweichung von einem numerischen Wert der Stellgröße um einen vorbestimmten Schwellwert verwendet werden, um eine Abweichung von einem gewünschten Elektrodenabstand zur Detektieren. Die Zuordnung einer Stellgröße Ps zu dem gewünschten Elektrodenabstand kann innerhalb des in 3 gezeigten Kalibrierungsschritts S30 erfolgen.
• Die 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Durchführung eines Kalibrierungsschritts S30. Nach dem Initialisieren der Vorrichtung, das heißt dem Ermitteln der Elektrodenhalterposition, bei der die Elektrode 13 das Werkstück 5 mechanisch kontaktiert, wird der Elektrodenhalter 9 in einem Kalibrierungsschritt S31 um eine vorbestimmte Länge, beispielsweise 200 µm oder 300 µm, entlang der Verlagerungsrichtung Z verfahren, so daß sich ein entsprechender Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück einstellt, wodurch vorteilhafterweise eine Kollision der Elektrode 13 mit dem Werkstück 5 durch ein Fehlpositionieren des Antriebs 7 vermeidbar ist.
• In einem Kalibrierungsschritt S32 wird die Spülvorrichtung aktiviert, so daß kontinuierlich ein Elektrolyt 31 zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 5 bereitgestellt ist. Die Oszillation des Elektrodenhalter 9 mittels des Antrieb 7 gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t) wird in einem Kalibrierungsschritt S33 gestartet.
• Die Kalibrierungsschritte S34 bis S38 werden dann iterativ durchgeführt, bis der Elektrodenabstand einem gewünschten minimalen Elektrodenabstand entspricht. In dem Kalibrierungsschritt S34 wird die Soll-Positionfunktion zs(t) derart eingestellt, daß ein unterer Referenztotpunkt X_UT um eine vorbestimmte Länge näher zum Werkstück bzw. zur Werkstückaufnahme verlagert wird. Beispielsweise kann die Verlagerung um 1 µm erfolgen. Da die Ist-Position des Elektrodenhalters bzw. der Elektrode erfaßt wird, kann die Bestimmung des unteren Referenztotpunkts X_UT auch derart erfolgen, daß die Elektrode einen vorbestimmten Referenzabstand d_R zum Werkstück (5) aufweist.
• In dem Kalibrierungsschritt S35 wird das Einschwingen des Systems abgewartet und nach dem Einschwingen das charakteristische phasenverzögerte Überschwingen (wie in den 4 und 5 gezeigt) durch Aufnehmen der Ist-Positionsfunktion z(t) ermittelt. Dazu können in einem Kalibrierungsschritt S36 die Zeiten innerhalb einer Periode ermittelt werden, in denen sich der Elektrodenhalter bzw. die Elektrode unterhalb des vorgegebenen unteren Totpunkts befinden kann, das heißt, Zeiten in denen das System überschwingt. Danach können zwei Zeitpunkte T1 und T2 in diesem Überschwingbereich ausgewählt werden, deren Referenz-Ist-Positionen x(T₁) < X_UT und x(T₂) < X_UT zu diesen Zeitpunkten zur Berechnung einer Referenzstellgröße Px verwendet werden sollen. Als zugehörige Stellgröße kann beispielsweise die Steigung zwischen den beiden ausgewählten Punkten in einem Kalibrierungsschritt S37 ermittelt werden. Die zum den gewünschten unteren Totpunkt zugeordnete Referenzstellgröße Px und der dazugehörige wahre untere Totpunkt können abgespeichert werden. Bevorzugt werden alle ermittelten Referenzstellgrößen in einer Datenbank abgespeichert, um bei einer späteren Durchführung des Verfahrens darauf zugreifen zu können, wodurch vorteilhafterweise eine erneute Kalibrierung vermeidbar ist.
• Beispielsweise können für den in der 4 gezeigten Fall eines Elektrodenabstandes von 200 µm die Ist-Positionen z(T₁) zu 199 µm und z(T₂) zu 170 µm ermittelt werden, wobei die Zeitdifferenz T₂-T₁ eine Millisekunde (1 ms) beträgt. Die Steigung und daher die Referenzstellgröße ergibt sich zu: $$Px=\left(170\mathrm{\mu }\text{m}-199\mathrm{\mu }\text{m}\right)\text{/1 ms}=-29\mathrm{\mu }\text{m/ms}.$$

  
• Weiter beispielsweise können für den in der 5 gezeigten Fall eines Elektrodenabstandes von 50 µm die Ist-Positionen z(T₁) zu 40 µm und z(T₂) zu 45 µm ermittelt werden, wobei die Zeitdifferenz T₂-T₁ ebenfalls 1 ms beträgt. Die Steigung und daher die Referenzstellgröße ergibt sich zu: $$Px=\left(\text{45 }\mathrm{\mu }\text{m}-40\mathrm{\mu }\text{m}\right)\text{/1 ms}=5\mathrm{\mu }\text{m/ms}\text{.}$$

  
• Im Kalibrierungsschritt S38 wird überprüft, ob der gewünschte minimale Elektrodenabstand bereits erreicht ist oder die Elektrode auf dem Werkstück bereits aufsetzt. Ist dies der Fall, so kann das Verfahren mit dem Verfahrensschritt S40 fortgeführt werden, wobei der Elektrodenhalter bzw. die Elektrode derart entlang der Verlagerungsrichtung Z verlagert wird, bis ein vorbestimmter Elektrodenabstand zum Werkstück erreicht ist. Ist der gewünschte minimale Elektrodenabstand noch nicht erreicht, wird die Kalibrierung mit dem Kalibrierungsschritt S34 fortgeführt.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

3

Werkstückaufnahme

5

Werkstück

6

Fläche des Werkstücks

7

Antrieb

9

Elektrodenhalter

11

Arbeitsfläche

13

Elektrode

15

Positionserfassungsvorrichtung

17

Meßraster

19

Unterkante der Elektrode 13

21

optische Erfassungseinrichtung

23

Laserstrahl

25

Antriebsregelung

27

Signalleitung

29

Steuerleitung

31

Elektrolyt

33

Überschwindungsbereich

Z

Verlagerungsrichtung

z_S(t)

Soll-Position des Elektrodenhalters

Z_UT

unterer Totpunkt

Z_OT

oberer Totpunkt

z(t)

Ist-Position des Elektrodenhalter

Claims (9)

1. Verfahren zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs umfassend die Schritte: - Aufnehmen eines Werkstückes (5) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff durch eine Werkstückaufnahme (3); - Anordnen eines Elektrodenhalters (9) mit einer Elektrode (13) an das Werkstück (5), wobei der Elektrodenhalter (5) entlang einer Verlagerungsrichtung (Z) relativ zur Werkstückaufnahme (3) linear mittels eines Antriebs (7) verlagerbar ist; - Vorgeben einer zeitlich variierenden periodischen Soll-Positionsfunktion z_S(t) des Elektrodenhalters (9) zwischen einem unteren Totpunkt (Z_UT) und einem oberen Totpunkt (Z_OT), wobei eine Periode zum Zeitpunkt T_R beginnt und eine Periodendauer von ΔT_R aufweist und wobei die Elektrode (13) am unteren Totpunkt (Z_UT) des Elektrodenhalters (9) einen geringeren Abstand d zum Werkstück aufweist als am oberen Totpunkt (Z_OT); - Bewegen des Elektrodenhalters (9) gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t); - optisches Erfassen der Ist-Position z(T₁) des Elektrodenhalters (9) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₁ mit T_R< T₁< T_R+ΔT_R; - optisches Erfassen der Ist-Position z(T₂) des Elektrodenhalters (9) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₂ mit T_R< T₂< T_R+ΔT_R und T₁ < T₂; - Berechnen einer Stellgröße P_S anhand der Ist-Positionen z(T₁) und z(T₂); - Verringern des unteren Totpunkts (Z_UT) für den Fall, dass die Stellgröße P_S um einen vorbestimmten Schwellwert ΔP kleiner ist als eine Referenzstellgröße P_X, wobei durch das Verringern des unteren Totpunkts (Z_UT) eine Verlagerung der Elektrode (13) hin um Werkstück (5) erfolgt; - Vergrößern des unteren Totpunkts (Z_UT) für den Fall, dass die Stellgröße P_S um einen vorbestimmten Schwellwert ΔP größer ist als eine Referenzstellgröße P_X; - Regeln des Antriebs (7) als Funktion der zum Zeitpunkt t vorgegebenen Soll-Position z_S(t) und der erfassten Ist-Position z(t).
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte: - Kontaktieren des Werkstückes (5) mit der Elektrode (13) zum Zeitpunkt T₀, wobei ein Abstand d(T₀) zwischen der Elektrode (13) und einer zu bearbeitenden Fläche (6) des Werkstücks (5) null ist; - Speichern der erfassten Ist-Position z(T₀) des Elektrodenhalters (9) zum Zeitpunkt T₀.
3. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend den Schritt: - Festlegen des unteren Totpunkts (Z_UT) in Abhängigkeit von der erfassten Ist-Position z(T₀) des Elektrodenhalters (9) zum Zeitpunkt T₀.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, umfassend den Schritt: - Berechnen der Stellgröße P_S mit $$P_S=\left(z_S\left(T_1\right)-z\left(T_1\right)\right)\text{/}\left(z_S\left(T_2\right)-z\left(T_2\right)\right)$$

   

   oder $$P_S=\left(z\left(T_2\right)-z\left(T_1\right)\right)\text{/}\left(T_2-T_1\right).$$

   
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, umfassend den Schritt: - Bestimmen der Referenzstellgröße P_X mit den folgenden Bestimmungsschritten: -- Bestimmen eines unteren Referenztotpunkts (X_UT), so dass die Elektrode einen vorbestimmten Referenzabstand d_R zum Werkstück (5) aufweist; -- Bewegen des Elektrodenhalters (9) gemäß der Soll-Positionsfunktion z_S(t); -- Erfassen einer Referenz-Ist-Position x(T₁) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₁ mit T_R< T₁ < T_R+ΔT_R; -- Erfassen einer Referenz-Ist-Position x(T₂) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt T₂ mit T_R< T₂< T_R+ΔT_R und T₁< T₂; -- Bilden der Referenzstellgröße als Funktion der bestimmen Ist-Positionen und der vorgegebenen Soll-Positionen zu P_x = (z_S(T₁)-x(T₁)) /(z_S(T₂)-x(T₂)) oder $$P_x=\left(x\left(T_2\right)-x\left(T_1\right)\right)\text{/}\left(T_2-T_1\right).$$

   
6. Vorrichtung (1) zum elektrochemischen Abtragen eines Werkstoffs umfassend: - eine Werkstückaufnahme (3) zum Aufnehmen eines Werkstückes (5); - ein Antrieb (7) mit einem Elektrodenhalter (9), wobei der Elektrodenhalter (9) entlang einer Verlagerungsrichtung (Z) relativ zur Werkstückaufnahme (3) linear verlagerbar ist; - eine Elektrode (13), welche an dem Elektrodenhalter (9) angeordnet ist, - eine optische Positionserfassungsvorrichtung (15), durch welche die räumliche Ist-Position z(t) des Elektrodenhalters (9) zum Zeitpunkt t optisch erfassbar ist; - eine Antriebsregelung (25), welche den Antrieb (7) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 regelt.
7. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, wobei die optische Positionserfassungsvorrichtung (15) weiter umfasst: -- ein an dem Elektrodenhalter (9) angeordnetes Messraster (17) und -- eine optische Erfassungseinrichtung (21) zum optischen Erfassen des Messrasters (17).
8. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Antrieb (7) eine Tauchspule umfasst, in welcher der Elektrodenhalter (9) zumindest bereichsweise angeordnet ist.
9. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, zur abtragenden Bearbeitung eines Dünnfilmwerkstücks (5), insbesondere bestehend aus einer Nickel-Titan-Legierung.

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