DE102012110016A1

DE102012110016A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Vertiefung mit Hinterschneidung

Info

Publication number: DE102012110016A1
Application number: DE201210110016
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-04-24

Abstract

Speziell gestaltete Vertiefungen sollen in elektrisch leitfähigen Körpern leichter hergestellt werden können. Dazu wird ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Vertiefung (3, 4, 5, 6) mit einer Hinterschneidung (33) in einem elektrisch leitfähigen Körper (1) vorgeschlagen. Dabei wird eine plättchenförmige Elektrode (9), in den Körper (1) bewegt. Es erfolgt ein erstes elektrochemisches Abtragen von Material aus dem Körper (1) während des Bewegens der Elektrode (9) in einem ersten Bewegungsabschnitt (d1), wobei das Abtragen im Wesentlichen bis zu einem ersten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms erster Stromstärke erfolgt. Anschließend erfolgt ein zweites elektrochemisches Abtragen von Material aus dem Körper (1) während des Bewegens der Elektrode (9) in einem von dem ersten verschiedenen zweiten Bewegungsabschnitt (d2), wobei das zweite Abtragen im Wesentlichen in einem gegenüber dem ersten größeren zweiten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms mit einer gegenüber der ersten größeren zweiten Stromstärke erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Vertiefung mit einer Hinterschneidung in einem elektrisch leitfähigen Körper durch Bewegen einer plattenförmigen Elektrode in einer Bewegungsrichtung in den elektrisch leitfähigen Körper. Außerdem erfolgt ein elektrochemisches Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper während des Bewegens der Elektrode in einem Bewegungsabschnitt entlang der Bewegungsrichtung, wobei das Abtragen im Wesentlichen bis zu einem bestimmten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms einer speziellen Stromstärke erfolgt. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Bearbeitungsvorrichtung zum Herstellen mindestens einer Vertiefung mit einer Hinterschneidung in einem elektrisch leitfähigen Körper mit einer plättchenförmigen Elektrode einer Bewegungseinrichtung zum Bewegen der plättchenförmigen Elektrode in einer Bewegungsrichtung in den elektrisch leitfähigen Körper, und einer Abtragungseinrichtung zu einem elektrochemischen Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper während des Bewegens der Elektrode in einem Bewegungsabschnitt entlang der Bewegungsrichtung, wobei das Abtragen im Wesentlichen bis zu einem bestimmten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms spezieller Stromstärke erfolgt.
In der Druckschrift EP 1 133 957 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Oberfläche beschrieben, in die ein Knochen einwachsen kann. Das Knochengewebe wächst in die Oberfläche der implantierten Prothese, sodass die künstliche Verbindung mechanisch verstärkt wird. Die makroskopische Oberfläche des Implantats wird unter anderem durch Elektroerodieren, Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden maschinell bearbeitet. Dadurch entstehen Kanäle mit einer Größe von mindestens 50 µm bis zu 3 mm tangential zur Oberfläche. Diese Kanäle enthalten Hinterschneidungen, die eine dauerhafte Fixierung des Implantats im Knochengewebe gewährleisten.
Darüber hinaus ist in der Patentschrift US 6,254,347 B1 eine Turbinenschaufel mit Kühlkanälen beschrieben, die in etwa in Rotationsrichtung verlaufen. Die Kühlkanäle weisen Hinterschneidungen auf, die dadurch gebildet werden, dass zunächst in einer Bohrung eine Isolierung ringförmig abgekratzt wird. Bei einer anschließenden elektrochemischen Abtragung wird nur Material der Turbine in dem abgekratzten Bereich abgetragen. In diesem Bereich entsteht dann die gewünschte Hinterschneidung.
Ferner zeigt die Patentschrift US 4,250,011 eine Elektrode für elektrochemisches Abtragen speziell für einen Hohlraum in einem Ventil einer Brennkraftmaschine. Die Elektrodenvorrichtung besitzt einen Schaft, auf dem eine flexible, längliche Elektrode axial verschiebbar ist. Außerdem kann mit dem Schaft eine elektrolytische Flüssigkeit in das Werkstück gefördert werden. An der Spitze der Elektrodenvorrichtung ist ein Elektrodenführungsabschnitt vorgesehen, der die Elektrode radial nach außen führt. Mit dieser Vorrichtung lässt sich beispielsweise ein Motorventil aushöhlen.
Durch elektrochemisches Abtragen kann die Form eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs räumlich gestaltet werden. Auch komplizierte Formen wie Hinterschneidungen sind hierdurch realisierbar. Außerdem wird bei dem elektrochemischen Abtragen (electrochemical machining, ECM) eine hohe Präzision bis in den Mikrometerbereich erreicht. Ferner können mit diesem Verfahren auch schwer zerspanbare Werkstoffe und schwer zugängliche Bereich bearbeitet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vereinfachtes Verfahren zum Herstellen von Vertiefungen mit Hinterschneidungen vorzuschlagen. Darüber hinaus soll eine entsprechende Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Vertiefung mit einer Hinterschneidung in einem elektrisch leitfähigen Körper durch

– Bewegen einer plättchenförmigen Elektrode, die vorzugsweise eine Hauptausdehnungsebene besitzt, in einer Bewegungsrichtung idealerweise im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptausdehnungsebene in den elektrisch leitfähigen Körper (z. B. Metallkörper), und
– erstes elektrochemisches Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper während des Bewegens der Elektrode in einem ersten Bewegungsabschnitt entlang der Bewegungsrichtung, wobei das erste Abtragen im Wesentlichen bis zu einem ersten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms erster Stromstärke erfolgt, sowie
– zweites elektrochemisches Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper während des Bewegens der Elektrode in einem vom ersten verschiedenen zweiten Bewegungsabschnitt entlang der Bewegungsrichtung, wobei das zweite Abtragen im Wesentlichen bis zu einem gegenüber dem ersten größeren zweiten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms mit einer gegenüber der ersten größeren zweiten Stromstärke erfolgt.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Bearbeitungsvorrichtung zum Herstellen mindestens einer Vertiefung mit einer Hinterschneidung in einem elektrisch leitfähigen Körper (z. B. Metallkörper) mit

– einer plättchenförmigen Elektrode, die vorzugsweise eine Hauptausdehnungsebene besitzt,
– einer Bewegungseinrichtung zum Bewegen der plättchenförmigen Elektrode in einer Bewegungsrichtung idealerweise im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptausdehnungsebene in den elektrisch leitfähigen Körper, und
– einer Abtragungseinrichtung zu einem ersten elektrochemischen Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper während des Bewegens der Elektrode in einem ersten Bewegungsabschnitt entlang der Bewegungsrichtung, wobei das erste Abtragen im Wesentlichen bis zu einem ersten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms erster Stromstärke erfolgt, wobei
– die Abtragungseinrichtung auch zu einem zweiten elektrochemischen Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper während des Bewegens der Elektrode in einem vom ersten verschiedenen zweiten Bewegungsabschnitt entlang der Bewegungsrichtung ausgebildet ist, wobei das zweite Abtragen im Wesentlichen bis zu einem gegenüber dem ersten größeren zweiten Abstand um die Elektrode unter Zufuhr eines Stroms mit einer gegenüber der ersten größeren zweiten Stromstärke erfolgt.

In vorteilhafter Weise erfolgt das Herstellen einer Vertiefung entlang einer Bewegungsrichtung in zwei Schritten. In einem ersten Schritt erfolgt ein erstes elektrochemisches Abtragen entlang eines ersten Teils einer Gesamtbewegung der Elektrode mit einem geringen ersten Strom und in einem zweiten Schritt erfolgt ein zweites elektrochemisches Abtragen in einem zweiten Abschnitt der Gesamtbewegung der Elektrode mit einer größeren zweiten Stromstärke. Durch die höhere Stromstärke im zweiten Bewegungsabschnitt wird mehr Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper (z. B. Metallkörper) rund um die plättchenförmige Elektrode abgetragen als bei dem ersten Bewegungsabschnitt mit der geringeren Stromstärke. Daher ergibt sich bezüglich der Bewegungsrichtung der Elektrode eine Hinterschneidung, die beispielsweise einen Formschluss in Bewegungsrichtung ermöglicht.
Vorzugsweise verläuft die Bewegungsrichtung der Elektrode im Wesentlichen senkrecht zu einem Oberflächenabschnitt, in den die Vertiefung einzubringen ist, des elektrisch leitfähigen Körpers. Dies bedeutet, dass die Vertiefungen Löcher und insbesondere auch Sacklöcher darstellen, deren Querschnitt mit zunehmender Tiefe zunimmt.
Besonders vorteilhaft ist, wenn mehrere Vertiefungen jeweils durch das erste und zweite elektrochemische Abtragen gebildet werden, und die Hohlräume in dem elektrisch leitfähigen Körper, die jeweils bei dem zweiten elektrochemischen Abtragen entstehen, direkt miteinander in Verbindung stehen. Dies bedeutet, dass auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Körpers beispielsweise voneinander getrennte Löcher zu sehen sind, die dann in der Tiefe miteinander in Verbindung stehen bzw. miteinander kommunizieren. Dies ergibt sich insbesondere dadurch, dass die Hohlräume in dem elektrisch leitfähigen Körper, die jeweils bei dem ersten elektrochemischen Abtragen entstehen, nicht direkt miteinander in Verbindung stehen, und die Vertiefungen paarweise nur so weit auseinander angeordnet sind, dass sich die jeweiligen Hohlräume, die jeweils bei dem zweiten elektrochemischen Abtragen entstehen, gegenseitig überschneiden bzw. ineinander übergehen.
Speziell können die mehreren Vertiefungen über einen Oberflächenbereich des elektrisch leitfähigen Körpers gleichmäßig verteilt angeordnet sein. Dadurch ergibt sich eine spezielle Oberflächengestaltung mit den Hinterschneidungen in der Tiefe des bearbeiteten Körpers in dem besagten Oberflächenbereich.
Beispielsweise kann die Elektrode scheibenförmig ausgebildet sein und senkrecht zu ihrer Hauptausdehnungsebene beim elektrochemischen Abtragen bewegt werden. Dadurch ergibt sich eine Vertiefung in dem elektrisch leitfähigen Körper, die eine hohlzylindrische Gestalt besitzt. Der Radius des Hohlraums hängt unter anderem von der Stromstärke ab. So ist der Radius in dem ersten Bewegungsabschnitt bei geringer Stromstärke geringer als in dem zweiten Bewegungsabschnitt bei höherer Stromstärke.
Der elektrisch leitfähige Körper kann ein Implantat sein. Werkstoffe für Implantate sind oftmals durch andere Bearbeitungstechniken nicht oder nur mühsam verarbeitbar. Durch die Hinterschneidungen in der Tiefe des bearbeiteten Körpers (z. B. Epiphyse eines künstlichen Oberschenkelknochens) kann beispielsweise Knorpelmaterial in die Vertiefungen einwachsen und sich dort mechanisch verankern. Auch anderes organisches Gewebe kann in derartige Vertiefungen von Implantaten einwachsen.
Des Weiteren kann der elektrisch leitfähige Körper ein Strömungsleitelement sein, über dessen Oberfläche eine Flüssigkeit oder ein Gas strömt. Wenn die Vertiefungen bzw. Löcher unterhalb der Oberfläche miteinander in Verbindung stehen, kann dann unterhalb der Oberfläche des Strömungsleitelements ein Druckausgleich herbeigeführt werden. Dies kann insbesondere bei einer Turbinenschaufel als Strömungsleitelement oder einem Flugzeugflügel von Bedeutung sein.
Die oben dargestellten Weiterbildungen können sich sowohl auf das erfindungsgemäße Verfahren als auch auf die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung beziehen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Schnitt durch einen entsprechend der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Körper und eine Elektrode für das elektrochemische Abtragen;
2 eine Prinzipskizze zu 1 mit entsprechenden geometrischen Größen;
3 eine Oberflächenansicht des rechten Gebildes von 1 und
4 ein erfindungsgemäß gefertigtes Implantat mit eingewachsenem Gewebe.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
In 1 ist ein elektrisch leitfähiger Körper 1 dargestellt, der durch elektrochemisches Abtragen (electrochemical machining, ECM) bearbeitet wurde. Bei dem elektrisch leitfähigen Körper 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Metallkörper. Mit einer Elektrodenvorrichtung 2 und einem nicht dargestellten Elektrolyten wurden Vertiefungen 3, 4, 5 und 6 in den elektrisch leitfähigen Körper 1 durch elektrochemisches Abtragen von seiner Oberfläche 7 her eingearbeitet.
Die Elektrodenvorrichtung 2 besitzt einen Schaft 8, an dessen Ende eine beispielsweise scheibenförmige Elektrode 9 befestigt ist. Der Schaft 8 besitzt beispielsweise eine Längsachse, auf dem die scheibenförmige Elektrode 9 zentrisch angeordnet ist. Der Durchmesser des Schafts 8 ist dabei deutlich kleiner als der Durchmesser der scheibenförmigen Elektrode 9. Dies hat den Zweck, dass der elektrische Strom nicht vom Schaft 8 sondern von der Elektrode 9 zum Werkstück bzw. umgekehrt fließt, da diese einen geringeren Abstand zum Werkstück besitzt. Unterstützt wird diese geometrische Begrenzung des Stromflusses beispielsweise durch eine Isolierung 10, die den Schaft 8 der Elektrodenvorrichtung am gesamten Umfang umgibt.
Die Form der Elektrode ist grundsätzlich plättchenförmig, wodurch eine Hauptausdehnungsebene (abgesehen von hierzu parallelen Ebenen) gegeben ist, und der Strom fließt über den Außenumfangsbereich in der Regel von dem Werkstück zur Elektrode. D. h. das Werkstück ist in der Regel als Anode (positiv) und die Elektrode als Katode (negativ) polarisiert. Der Ladungstransport erfolgt in dem Arbeitsspalt durch eine Elektrolytlösung (z. B. wässrige Natriumnitratlösung). Durch den Elektronenstrom werden aus dem Werkstück Metallionen gelöst.
Die Form der Elektrode 9 bestimmt die Form der Vertiefungen 3, 4, 5 und 6, die jeweils durch elektrochemisches Abtragen entstehen. Bei einer scheibenförmigen Elektrode 9 ergibt sich bei konstantem Strom eine zylinderförmige Vertiefung in dem elektrisch leitfähigen Körper 1. Der Durchmesser der Vertiefung ist größer als derjenigen der Elektrode 9. Er hängt unter anderem von der Stromstärke ab, die für das elektrochemische Abtragen gewählt wurde.
Ist die Form der plättchenförmigen Elektrode 9 beispielsweise dreieckig, so bildet sich entsprechend eine dreiecksprismenförmige Vertiefung in dem Körper 1 aus. Gleiches gilt für anders geformte Elektroden.
Die Menge des abgetragenen Materials hängt unter anderem von der Stromstärke ab, die für die Bearbeitung gewählt wird. Außerdem hängt sie von der Bewegungsgeschwindigkeit der Elektrode 9 ab.
In dem Beispiel von 1 wird die Elektrodenvorrichtung 2 entlang der Längsachse des Schafts 8 senkrecht auf die Oberfläche entsprechend der Bewegungsrichtung 11 bewegt. Aufgrund der gewählten Bewegungsgeschwindigkeit und einer gewählten ersten Stromstärke ergibt sich in einem ersten Bewegungsabschnitt d₁ innerhalb des Körpers 1 ein erster zylinderförmiger Hohlraum 31 durch das elektrochemische Abtragen.
Die Elektrodenvorrichtung 2 wird gemäß der Bewegungsrichtung 11 weiter durch einen Bewegungsabschnitt d₂ bewegt. In diesem zweiten Bewegungsabschnitt d₂ ist der Arbeitsstrom gegenüber der ersten Stromstärke im ersten Bewegungsabschnitt d₁ auf eine zweite Stromstärke erhöht. Dadurch wird im Umkreis um die plättchenförmige Elektrode 9 mehr Material durch das elektrochemische Abtragen von dem Körper 1 gelöst. Es entsteht dadurch ein Hohlraum 32, dessen Durchmesser größer ist als derjenige des Hohlraums 31. Dadurch ergibt sich bezüglich der Bewegungsrichtung 11 eine Hinterschneidung 33, die einen Formschluss ermöglicht.
In 1 rechts ist eine Reihe von drei Vertiefungen 4, 5 und 6 dargestellt, die wie die Vertiefung 3 gefertigt wurden. Ihre Mittelachsen sind so beabstandet, dass sich zwar ihre Hohlräume in dem Bewegungsabschnitt d₂ berühren bzw. ineinander übergehen, die Hohlräume in dem ersten Bewegungsabschnitt d₁, die einen geringeren Durchmesser besitzen, jedoch deutlich voneinander beabstandet sind. Dadurch ergeben sich an der Oberfläche 7 Stege 41 und 42, die die Vertiefungen 4, 5 und 6 an der Oberfläche voneinander trennen. Demgegenüber sind die Vertiefungen 4, 5 und 6 im Bereich des zweiten Bewegungsabschnitts d₂ unmittelbar miteinander verbunden, sodass dort ein Gas- bzw. Fluidaustausch zwischen den Verbindungen 4 bis 6 entstehen kann.
In 2 ist die Geometrie der Vertiefungen von 1 detaillierter dargestellt. Dabei sind die einzelnen Konturen der Vertiefungen und der Elektrodenvorrichtung lediglich schematisch dargestellt. Speziell ist die Vertiefung 4 dargestellt, in die die Elektrodenvorrichtung 2 entlang einer Achse 21 bewegt wurde. Die scheibenförmige Elektrode 9 hat hier einen Radius r. In dem ersten Bewegungsabschnitt d₁ erfolgt das elektrochemische Abtragen mit der ersten Stromstärke. Andere Parameter wie das Material des elektrisch leitfähigen Körpers 1, das Material der Elektrode 9 sowie deren exakte Geometrie, der verwendete Elektrolyt, die Temperatur und dergleichen sind vorgegeben. Bei diesen vorgegebenen Randbedingungen und insbesondere bei der ersten Stromstärke ergibt sich somit in dem ersten Bewegungsabschnitt d₁ durch das elektrochemische Abtragen der Hohlraum 43, dessen Radius um den Abstand a₁ größer ist als derjenige der Elektrode 9. Der verbleibende Steg 41 hat somit von der Elektrode 9 den Abstand a₁.
In dem zweiten Bewegungsabschnitt d₂ wird die Stromstärke zu der zweiten Stromstärke unter Beibehaltung der übrigen Randbedingungen erhöht. Der dadurch entstehende Hohlraum 44 besitzt einen Radius, der um den Abstand a₂ größer ist als derjenige der Elektrode 9. Der Abstand der Elektrode 9 zu dem Außenrand des unteren Hohlraums 44 beträgt a₂.
In einem Abstand a₃ von der Bewegungsachse 21 wird entlang einer dazu parallelen weiteren Bewegungsachse 22 die Vertiefung 5 gefertigt, und zwar in der gleichen Weise wie die Vertiefung 4. Wenn nun die Bedingung gilt: a₃ < 2·(r + a₂), dann berühren sich die unteren Hohlräume 44 und 54 der Vertiefungen 4 und 5 bzw. sie gehen ineinander über. Solange darüber hinaus die Bedingung gilt: a₃ > 2·(r + a₁), bleibt zwischen den Vertiefungen 4 und 5 an der Oberfläche 7 der Steg 41, der die Vertiefungen 4 und 5 an der Oberfläche voneinander trennt. Daher sind auch die Hohlräume 43 und 53 im ersten Bewegungsabschnitt d₁ voneinander getrennt und berühren sich nicht unmittelbar.
3 zeigt eine mögliche Anordnung von sechs Vertiefungen 4, 5, 6, 4’, 5’ und 6’ in der Draufsicht. Diese Anordnung kann den Querschnitt des rechten Teils von 1 besitzen. Die durchgezogenen Kreise deuten die Öffnungen in der Oberfläche an. Die gestrichelten Linien zeigen die Konturen der Hohlräume unterhalb der Oberfläche, insbesondere der unteren Hohlräume 44 und 54. Die oberen Hohlräume (insbesondere die Hohlräume 43 und 53) der jeweiligen Vertiefungen sind durch die zylinderförmigen Wände, die hier als Kreise zu sehen sind, begrenzt. Es ist gut zu erkennen, dass die Abstände zwischen jeweils zwei der Vertiefungen größer ist als der Radius der oberen Hohlräume 43, 53 etc. Dadurch bleiben an der Oberfläche die Stege 41, 42 etc. Die unteren Hohlräume 44, 54 etc. stehen jedoch in Fluidverbindung, sodass ein Fluid bzw. Gas ohne Weiteres von einem unteren Hohlraum zu einem weiteren unteren Hohlraum fließen kann. Dadurch wäre beispielsweise ein Druckausgleich zwischen den Vertiefungen, z. B. den Vertiefungen 4 und 4’ mit den Vertiefungen 6 und 6’ möglich.
In dem Beispiel von 3 sind lediglich sechs Vertiefungen in einer achssymmetrischen Anordnung dargestellt. Die Anzahl der Vertiefungen dieser Art auf einem Werkstück können natürlich beliebig gewählt werden. So kann beispielsweise die gesamte Oberfläche eines Werkstücks oder ein speziell gewählter Teil des Werkstücks mit einer oberen Schicht versehen sein, die diese Vertiefungen beinhaltet. Auch die Geometrie bzw. Symmetrie der Anordnung der Vertiefungen an der Oberfläche des Werkstücks kann anders gewählt werden.
Die Geometrie der Vertiefungen bezogen auf einen Querschnitt senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks kann je nach Anwendungsfall verschieden gewählt werden. So kann beispielsweise der Durchmesser der Vertiefungen an der Oberfläche 1 mm betragen. Die verwendete Elektrode kann dabei einen Durchmesser von 0,6 mm besitzen. Die Stromstärke kann von 2000 A im ersten Bewegungsabschnitt d₁ auf 8000 A im zweiten Bewegungsabschnitt d₂ erhöht werden. Wird die Stromstärke also sprunghaft von 2000 A auf 8000 A erhöht, so ergeben sich die in den 1 und 2 dargestellten Hinterschneidungen 33. Alternativ kann die Stromstärke auch beispielsweise kontinuierlich erhöht werden. Hierdurch ergäbe sich eine kegelstumpfförmige Vertiefung. Darüber hinaus kann der Verlauf der Stromstärke während des elektrochemischen Abtragens bei der Bewegung der Elektrode gemäß einer beliebigen anderen Funktion variiert werden. So wäre es beispielsweise auch denkbar, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Prinzip Vertiefungen mit mehreren Hinterschneidungen geformt werden.
Ein Anwendungsbeispiel für vorliegende Erfindung wäre das Fertigen einer Turbinenschaufel oder einer anderen umströmten Fläche. Wenn an der Oberfläche eines solchen Gegenstands nämlich ein Druckgradient vorliegt, der an der Oberfläche nicht ausgeglichen wird oder ausgeglichen werde kann, so kann das Gas oder das Fluid über die Vertiefungen unterhalb der Oberfläche strömen und hierdurch einen gewissen Druckausgleich hervorbringen. Dadurch können beispielsweise strömungsgünstigere Flächen realisiert werden. Auch andere aerodynamische bzw. hydrodynamische Eigenschaften können dadurch beeinflusst werden.
Ein anderer Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ergäbe sich beispielsweise in der Medizintechnik. So könnte beispielsweise, wie in 4 gezeigt ist, ein Gelenkabschnitt 60 eines künstlichen Gelenks mit einer Oberfläche ausgestattet werden, wie sie in den 1 und 3 angedeutet ist. Es entstehen dadurch Löcher 61 (entsprechend den Hohlräumen 31, 43, 53) die durch Stege 62 (entsprechend den Stegen 41, 42) in tangentialer Richtung voneinander getrennt sind. Tiefer im Inneren des Gelenkabschnitts sind die Löcher 61 durch einen Hohlraum 63 miteinander verbunden. Für diese medizinische Anwendung ist es jedoch unter Umständen nicht erforderlich, dass die Löcher 61 im Inneren des Implantats miteinander in Verbindung stehen. Vielmehr können gegebenenfalls auch mehrere Vertiefungen der Gestalt der Vertiefung 3 von 1 auf der Freiformfläche nebeneinander angeordnet sein, ohne dass sich ihre Hohlräume berühren.
In die strukturierte Oberfläche des Implantats kann nun Gewebe einwachsen. Die Hinterschneidungen der Vertiefungen führen zu einem Formschluss. Für das Einwachsen kann es günstig sein, wenn die Vertiefungen in der Tiefe miteinander in Verbindung stehen. In dem Beispiel von 4 wächst beispielsweise Knorpel 64 in die Löcher 61 und den Hohlraum 63 ein und überwächst auch den mit den Vertiefungen versehenen Gelenkabschnitt 60. Dadurch erhält der Knorpel 64 mechanischen Halt an dem Gelenkabschnitt 60. Auch andere Implantate können auf diese Art mit natürlichem Gewebe zusammenwachsen.
Ferner sind Anwendungen denkbar, bei denen beispielsweise das Werkstück aus Metall besteht und durch die erfindungsgemäße ECM-Abtragung ein Grundskelett mit gewünschten physikalischen Eigenschaften entsteht. An der Oberfläche des Werkstücks lässt sich dann eine unter Umständen sehr dünne Schicht mit anderen Materialeigenschaften mechanisch stabil aufbringen. Dies lässt sich beispielsweise durch Eingießen eines Oberflächenmaterials (z.B. eines Kunststoffes oder eines Metalls mit niedrigerem Schmelzpunkt) in die Vertiefungen und Verteilen auf der Oberfläche realisieren. So lässt sich beispielsweise ein Korrosions- oder Verschleißschutz oder gegebenenfalls eine Reduktion der Reibung des Werkstücks erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1133957 A1 [0002]
US 6254347 B1 [0003]
US 4250011 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen mindestens einer Vertiefung (3, 4, 5, 6) mit einer Hinterschneidung (33) in einem elektrisch leitfähigen Körper (1) durch – Bewegen einer plättchenförmigen Elektrode (9) in einer Bewegungsrichtung (11) in den elektrisch leitfähigen Körper, und – erstes elektrochemisches Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper (1) während des Bewegens der Elektrode (9) in einem ersten Bewegungsabschnitt (d₁) entlang der Bewegungsrichtung, wobei das erste Abtragen im Wesentlichen bis zu einem ersten Abstand (a₁) um die Elektrode (9) unter Zufuhr eines Stroms erster Stromstärke erfolgt, gekennzeichnet durch – zweites elektrochemisches Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper (1) während des Bewegens der Elektrode (9) in einem vom ersten verschiedenen zweiten Bewegungsabschnitt (d₂) entlang der Bewegungsrichtung (11), wobei das zweite Abtragen im Wesentlichen bis zu einem gegenüber dem ersten größeren zweiten Abstand (a₂) um die Elektrode (9) unter Zufuhr eines Stroms mit einer gegenüber der ersten größeren zweiten Stromstärke erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsrichtung (11) der Elektrode (9) im Wesentlichen senkrecht zu einem Oberflächenabschnitt (7), in den die Vertiefung (3, 4, 5, 6) einzubringen ist, des elektrisch leitfähigen Körpers (1) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere Vertiefungen (3, 4, 5, 6) jeweils durch das erste und zweite elektrochemische Abtragen gebildet werden, und die Hohlräume (44, 54) in dem elektrisch leitfähigen Körper (1), die jeweils bei dem zweiten elektrochemischen Abtragen entstehen, direkt miteinander in Verbindung stehen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Hohlräume (43, 53) in dem elektrisch leitfähigen Körper (1), die jeweils bei dem ersten elektrochemischen Abtragen entstehen, nicht direkt miteinander in Verbindung stehen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die mehreren Vertiefungen (3, 4, 5, 6) über einen Oberflächenbereich des elektrisch leitfähigen Körpers gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (9) scheibenförmig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrisch leitfähige Körper (1) ein Implantat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der elektrisch leitfähige Körper (1) ein Strömungsleitelement ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Strömungsleitelement eine Turbinenschaufel ist.
Bearbeitungsvorrichtung zum Herstellen mindestens einer Vertiefung (3, 4, 5, 6) mit einer Hinterschneidung (33) in einem elektrisch leitfähigen Körper (1) mit – einer plättchenförmigen Elektrode (9) – einer Bewegungseinrichtung zum Bewegen der plättchenförmigen Elektrode (9) in einer Bewegungsrichtung (11) in den elektrisch leitfähigen Körper (1), und – einer Abtragungseinrichtung (2) zu einem ersten elektrochemischen Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper (1) während des Bewegens der Elektrode (9) in einem ersten Bewegungsabschnitt (d₁) entlang der Bewegungsrichtung (11), wobei das erste Abtragen im Wesentlichen bis zu einem ersten Abstand (a₁) um die Elektrode (9) unter Zufuhr eines Stroms erster Stromstärke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abtragungseinrichtung (2) auch zu einem zweiten elektrochemischen Abtragen von Material aus dem elektrisch leitfähigen Körper (1) während des Bewegens der Elektrode (9) in einem vom ersten verschiedenen zweiten Bewegungsabschnitt (d₂) entlang der Bewegungsrichtung (11) ausgebildet ist, wobei das zweite Abtragen im Wesentlichen in einem gegenüber dem ersten größeren zweiten Abstand (a₂) um die Elektrode (9) unter Zufuhr eines Stroms mit einer gegenüber der ersten größeren zweiten Stromstärke erfolgt.