DE102015202963A1

DE102015202963A1 - Verfahren und Vorrichtung zur chemisch materialabtragenden Öffnungsrandstrukturierung

Info

Publication number: DE102015202963A1
Application number: DE102015202963.8A
Authority: DE
Inventors: Bettina Schekulin; Ulrich Schekulin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur chemisch materialabtragenden Randstrukturierung einer Öffnung (1, 1a, 1b) in einem elektrisch leitfähigen Werkstück (2). Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung (100) zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Erfindungsgemäß wird ein Elektrolytfluid (4) mit einer Ätz-Spezies (5), die zwischen einer niedrigeren ersten und einer höheren, auf das Werkstück ätzend wirkenden, zweiten Oxidationsstufe umwandelbar ist, in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe auf einer Eintrittsseite (6) der Öffnung bereitgestellt. Des Weiteren wird die Ätz-Spezies im Elektrolytfluid von der ersten in die zweite Oxidationsstufe durch Anlegen einer elektrischen Spannung (V) zwischen dem Werkstück und/oder einer werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode und einer der Öffnung auf der Eintrittsseite beabstandet gegenüberliegenden Gegenelektrode (8) als Kathodenelektrode in Kontakt mit dem Elektrolytfluid umgewandelt. Außerdem wird der Elektrolytfluid von der Eintrittsseite durch die Öffnung zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden Austrittsseite (7) der Öffnung hindurchgeführt. Verwendung z.B. zur Nachbearbeitung eines Einspritzlochs in einem Einspritzdüsenkörper einer Verbrennungskraftmaschine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur chemisch materialabtragenden Randstrukturierung einer Öffnung in einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Werkstück. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden z.B. dazu benutzt, einer Öffnung in einem Werkstück eine bestimmte Soll-Form zu geben. So soll typischerweise ein Spritzloch in einem Düsenkörper einer Hochdruck-Düse, wie z.B. einer Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer oder einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mindestens auf einer Eintrittsseite einen verrundeten Eintritt aufweisen. Dadurch sollen beispielsweise Wirbel eines das Spritzloch durchströmenden Fluids gering gehalten werden, die zu Strömungsverlusten und damit zu einem geringen Durchfluss des Fluids durch das Spritzloch führen können, und ein Spritzbild des Fluids positiv beeinflusst werden.
Häufig weist die Öffnung in dem Werkstück nach einem ersten Arbeitsschritt seiner Erzeugung herstellungsbedingt noch nicht die gewünschte Soll-Form auf. Wird beispielsweise das Spritzloch in der Düse von einer gut zugänglichen Außenseite des Düsenkörpers her mittels Laserstrahl oder Funkenerodieren erzeugt, können eintrittsseitig scharfe Kanten oder Grate an einem Rand der Öffnung entstehen. Des Weiteren besitzt das bei größeren Aspektverhältnissen funkenerosiv gebohrte Loch eine Konizität, d.h. ein austrittsseitiger Durchmesser der Öffnung ist größer als ein eintrittsseitiger Durchmesser. Das ist aber in der Regel bei einem Spritzloch in einer Einspritzdüse unerwünscht. Einer Konizität kann beim funkenerosiven Bohren in einem gewissen Bereich entgegengewirkt werden, indem eine Entladungsenergie mit Zunahme einer Bohrtiefe erhöht wird. Grate an der Eintrittsseite lassen sich aber dennoch kaum vermeiden.
Um die erzeugte Öffnung der gewünschten Soll-Form näher zu bringen, wird diese typischerweise in einem auf den ersten Arbeitsschritt folgenden zweiten Arbeitsschritt nachbearbeitet. Beispielsweise sollen dabei eintrittsseitige Kanten bzw. Grate durch Verrundung des Eintritts entfernt werden. Ein bekanntes Verfahren hierfür ist das Strömungsschleifen, auch hydroerosives (HE) Schleifen genannt, bei dem die Grate entfernt und die Eintritte verrundet werden. Das HE-Schleifen ist ein abtragendes Fertigungsverfahren, bei dem eine mit Schleifpartikeln versetzte abrasive Flüssigkeit unter hohem Druck durch die Öffnung von der Eintrittsseite zu der Austrittsseite hindurch gepumpt wird. Neben der Verrundung ist mit dem HE-Schleifen eine Aufweitung des Durchmessers der Öffnung über deren gesamte Länge von der Eintrittsseite zu der Austrittsseite möglich. Dabei können aber Auswaschungen, d.h. wellenförmige Vertiefungen entlang der Öffnung, nur bei niedrigen Durchflussgeschwindigkeiten des Schleifmediums vermieden werden, was zu einer langen Bearbeitungszeit führt. Hinzu kommt, dass bei mehreren Öffnungen in dem Werkstück die Öffnung mit dem größten Durchmesser, z.B. infolge von Toleranzen bei der Erzeugung der Öffnungen, den höchsten Durchsatz an Schleifmittel erfährt und damit im Vergleich zu den anderen Öffnungen mit kleineren Durchmessern im Durchmesser stärker vergrößert wird. Somit findet keine Angleichung der Durchmesser der verschieden großen Öffnungen beim HE-Schleifen statt. Auch dies ist in der Regel unerwünscht. Außerdem müssen nach dem Strömungsschleifen bei einer Reinigung des Werkstücks die Schleifpartikel aus der Öffnung aufwendig entfernt werden.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur Nachbearbeitung einer Öffnung in einem Werkstück sowie einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zugrunde, mit denen durch relativ geringen Aufwand und kurze Bearbeitungszeiten eine gegenüber einer Verrundung komplexere Soll-Form der Öffnung erreichbar ist und unerwünschte Nebeneffekte bei der Nachbearbeitung gering gehalten werden können.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Schritt a ein Elektrolytfluid mit einer Ätz-Spezies, die zwischen einer niedrigeren ersten und einer höheren, auf das Werkstück ätzend wirkenden, zweiten Oxidationsstufe umwandelbar ist, in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe auf einer Eintrittsseite der Öffnung bereitgestellt. Des Weiteren wird in einem Schritt b die Ätz-Spezies im Elektrolytfluid von der ersten in die zweite Oxidationsstufe durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück und/oder einer werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode und einer der Öffnung auf der Eintrittsseite beabstandet gegenüberliegenden Gegenelektrode als Kathodenelektrode in Kontakt mit dem Elektrolytfluid umgewandelt. Außerdem wird in einem Schritt c das Elektrolytfluid von der Eintrittsseite durch die Öffnung hindurch zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden Austrittsseite der Öffnung geführt.
Beim dadurch initiierten chemischen Materialabtragen bzw. chemischen Ätzen wirkt die Ätz-Spezies z.B. in Form einer Säure oder eines höher geladenen Metallkations in der höheren zweiten Oxidationsstufe auf das Material des Werkstücks, insbesondere ein Metall wie Eisen, ein. Das Material des Werkstücks wird oxidiert, d.h. es wird von einer niedrigen in eine gegenüber der niedrigen höhere Oxidationsstufe umgewandelt, und die Ätz-Spezies wird reduziert, d.h. von der höheren zweiten Oxidationsstufe in die niedrigere erste Oxidationsstufe zurückgewandelt. Das oxidierte Material kann vorteilhafterweise im Elektrolytfluid gelöst oder zumindest in diesem vom Werkstück wegtransportiert werden.
Vorteilhafterweise wirkt die Ätz-Spezies in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe nicht bzw. gegenüber der höheren zweiten Oxidationsstufe deutlich weniger chemisch ätzend auf das Werkstück. Somit erfolgt im Schritt a kein bzw. nur ein unmerklicher Materialabtrag des Werkstücks.
Die Gegenelektrode befindet sich hierbei je nach Bedarf nur vor der Öffnung oder erstreckt sich bis zu einem Eintritt der Öffnung oder bis zu einer gewissen Tiefe in die Öffnung hinein und nicht vollständig bis zu einem Austritt aus der Öffnung oder darüber hinaus. Werkstücknah kann bedeuten, dass die Hilfselektrode zwischen dem Werkstück und der Gegenelektrode angeordnet sein kann, insbesondere im Fall einer vor der Öffnung angeordneten Gegenelektrode zwischen der Gegenelektrode und der Öffnung. Dabei kann vorteilhafterweise ein Spalt zwischen dem Werkstück oder der werkstücknahen Hilfselektrode und der Gegenelektrode zum Hindurchführen des Elektrolytfluids durch die Öffnung im Schritt c verbleiben.
Durch das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück und/oder der werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode bzw. Pluspol und der Gegenelektrode als Kathodenelektrode bzw. Minuspol im Schritt b wird ein elektrisches Feld in dem Elektrolytfluid zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode gebildet, vorteilhafterweise hauptsächlich vor der Öffnung auf der Eintrittsseite. Dadurch wird dann die Ätz-Spezies von der ersten in die zweite Oxidationsstufe in-situ bzw. lokal an dem Werkstück und/oder der werkstücknahen Hilfselektrode, vorteilhafterweise am Rand des Eintritts der Öffnung, elektrochemisch umgewandelt bzw. oxidiert. Am Umwandlungsort weist das Elektrolytfluid die größte Konzentration an Ätz-Spezies in der höheren, auf das Werkstück chemisch ätzend wirkenden, zweiten Oxidationsstufe auf bzw. die Ätz-Spezies weist dort ihre höchste Reaktivität auf. Dadurch wird in unmittelbarer Nähe des Umwandlungsorts der Werkstoff von der Ätz-Spezies am stärksten chemisch geätzt bzw. gelöst.
Während des Hindurchführens des Elektrolytfluids von der Eintrittsseite durch die Öffnung zu der Austrittsseite der Öffnung ätzt die Ätz-Spezies chemisch bzw. löst diese das umgebende Werkstück weiter auf. Dabei verarmt die Ätz-Spezies in der höheren zweiten Oxidationsstufe bzw. wird durch Lösen von umliegendem Werkstoff verbraucht. In der Öffnung außerhalb des elektrischen Feldes in Richtung der Austrittsseite wird mehr Ätz-Spezies von der höheren zweiten Oxidationsstufe in die niedrigere erste Oxidationsstufe zurückgewandelt als Ätz-Spezies von der niedrigeren ersten Oxidationsstufe in die höhere zweite Oxidationsstufe umgewandelt wird. Die Ätz-Spezies büßt an Reaktivität ein. Somit wird ausgehend vom Umwandlungsort in Richtung Austrittsseite der Öffnung immer weniger Werkstoff von der Ätz-Spezies gelöst. Das Hindurchführen des Elektrolytfluids kann vorteilhafterweise mittels Pumpens des Elektrolytfluids durch die Öffnung hindurch geschehen. Dadurch kann das durch das chemische Ätzen oxidierte Material vorteilhafterweise im Elektrolytfluid gelöst oder zumindest in diesem vom Werkstück wegtransportiert werden.
Die Schritte a, b und c können vorteilhafterweise gleichzeitig durchgeführt werden, wobei ein isoliert betrachtetes Teilchen der Ätz-Spezies die Schritte a, b und c nacheinander durchläuft.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Entfernung von scharfen Kanten und Graten am Rand des Eintritts der Öffnung. Des Weiteren kann eine Öffnung, die vor dem erfindungsgemäßen Verfahren einen konstanten oder sogar einen konisch zunehmenden Durchmesser aufweist, zumindest im Bereich des Eintritts oder sogar über die gesamte Länge der Öffnung in eine trompeten- bzw. trichterförmig enger werdende Form umgewandelt werden. Trompeten- bzw. trichterförmige Form kann bedeuten, dass ein eintrittsseitiger Durchmesser der Öffnung größer als ein Durchmesser eines in Richtung Austrittsseite liegenden Abschnitts der Öffnung und insbesondere auch größer als ein austrittsseitiger Durchmesser der Öffnung sein kann, d.h. die Öffnung kann einen konischen abnehmenden Durchmesser aufweisen. Damit kann z.B. eine funkenerosiv bedingte Konizität der Öffnung entfernt bzw. umgekehrt werden. Außerdem kann eine Rauigkeit der Werkstückoberfläche verringert werden bzw. das Verfahren kann einebnend wirken.
Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bei mehreren Öffnungen in dem Werkstück, dass die Öffnung mit dem kleinsten Durchmesser bevorzugt trompeten- bzw. trichterförmig vergrößert werden kann. Somit kann im Gegensatz zum Strömungsschleifen eine Angleichung der Durchmesser der verschieden großen Öffnungen stattfinden. Bei mehreren Öffnungen kann z.B. die kleinste Öffnung aufgrund ihres Strömungswiderstandes vorteilhafterweise den geringsten Elektrolytfluid-Durchfluss aufweisen. Aufgrund dessen kann eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolytfluids durch die kleinste Öffnung und damit eine lange Verweilzeit der Ätz-Spezies im Bereich des elektrischen Feldes und somit eine höhere Konzentration an Ätz-Spezies in der höheren zweiten Oxidationsstufe ermöglicht werden, da elektrochemisch nur eine bestimmte Menge pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der Stromdichte an höher geladener Ätz-Spezies generiert werden kann. Außerdem ist eine Reinigung des Werkstücks nach der erfindungsgemäßen Randstrukturierung besonders einfach.
Zu der chemisch materialabtragenden Randstrukturierung kann am Werkstück im Bereich des elektrischen Feldes ein elektrochemisches Abtragen und/oder ein elektrochemisches Ätzen des Werkstücks hinzukommen. Beim elektrochemischen Abtragen findet ein Ladungstransport zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode im Elektrolytfluid statt. Das Elektrolytfluid kann hierzu vorteilhafterweise eine neutrale, wässrige Salzlösung mit Kationen aus der Gruppe der Alkalimetalle und deren Halogenid-, Sulfat- oder Nitrat-Anionen umfassen, insbesondere Natriumchlorid (NaCl), Natriumsulfat (Na₂SO₄) oder Natriumnitrat (NaNO₃). Das Material des Werkstücks wird unter Stromfluss anodisch aufgelöst, d.h. oxidiert. Die Stromdichte ist am aufzulösenden Material hoch. Die gelösten Materialionen gehen dann am Werkstück Reaktionen mit Teilen des gespaltenen Elektrolytfluids ein. An der Kathode reagiert der Elektrolytrest z.B. mit Wasser. Als Endprodukt fällt dann Materialhydroxid an, welches sich als Schlamm absetzt und entfernt werden muss. Beim elektrochemischen Ätzen bzw. Elektropolieren bzw. elektrolytischen Ätzen werden saure oder alkalische Elektrolyte eingesetzt. Saure Elektrolyte enthalten z.B. Phosphor-, Schwefel- oder Perchlorsäure. Alkalische Elektrolyte enthalten z.B. Cyanide, um das von dem Werkstück gelöste Material zu komplexieren. Dazu können vorteilhafterweise ionenwanderungsbremsende Zusätze wie Essigsäure oder mehrwertige Alkohole hinzukommen. Die eingesetzten Stromdichten werden geeignet gewählt. Das Endprodukt des elektrochemischen Abtragens und/oder das Endprodukt des elektrochemischen Ätzens, soweit vorhanden, kann im Schritt c aus der Öffnung zur Austrittsseite hinaus weg- bzw. abtransportiert werden.
Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren haben Nachbearbeitungs-Versuche mit Strömungsschleifen keine trompeten- bzw. trichterförmige Aufweitung der Öffnung ergeben, sondern nur eine Aufweitung des Öffnungsdurchmessers über die gesamte Länge der Öffnung. Des Weiteren haben im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren Nachbearbeitungs-Versuche mit Bereitstellen des Elektrolytfluids mit der Ätz-Spezies bereits in der höheren zweiten Oxidationsstufe auf der Eintrittsseite der Öffnung in der Regel auch keine trompeten- bzw. trichterförmige Aufweitung der Öffnung ergeben, sondern nur eine Aufweitung des Öffnungsdurchmessers über die gesamte Länge. Außerdem haben im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren Nachbearbeitungs-Versuche, bei dem ein rein elektrochemisches Abtragen und/oder ein rein elektrochemisches Ätzen stattgefunden hat, auch keine trompeten- bzw. trichterförmige Aufweitung der Öffnung ergeben, sondern nur eine Aufweitung der Öffnung im Bereich des elektrischen Feldes.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Schritt a des Bereitstellens des Elektrolytfluids mit der Ätz-Spezies in der niedrigeren Oxidationsstufe ein Bereitstellen einer Cobalt(II)-sulfat-Lösung, einer Cobalt(II)-halogenid-Lösung, einer Cobalt(II)-nitrat-Lösung, einer Cobalt(II)-chlorat-lösung, einer Cobalt(II)-perchlorat-Lösung, einer Mangan(II)-sulfat-Lösung, einer Mangan(II)-halogenid-Lösung, einer Mangan(II)-nitrat-Lösung, einer Mangan(II)-chlorat-Lösung, einer Mangan(II)-perchlorat-Lösung, einer Eisen(II)-sulfat-Lösung, einer Eisen(II)-halogenid-Lösung, einer Eisen(II)-perchlorat-Lösung, einer Ammoniumeisen(II)-sulfat-Lösung, einer Natrium-hexacyanoferrat(II)-Lösung, einer Kalium-hexacyanoferrat(II)-Lösung, einer Cer(III)-sulfat-Lösung, einer Cer(III)-halogenid-Lösung, einer Cer(III)-nitrat-Lösung, einer Cer(III)-perchlorat-Lösung, einer Zinn(II)-sulfat-Lösung, einer Zinn(II)-halogenid-Lösung, einer Zinn(II)-perchlorat-Lösung oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Lösungen. Aus Cobalt(II) kann Cobalt(III), aus Mangan (II) kann Mangan(III und höher), aus Eisen(II) kann Eisen(III), aus Hexacyanoferrat(II) kann Hexacyanoferrat(III), aus Cer(III) kann Cer(IV) und aus Zinn(II) kann Zinn(IV) generiert werden. Die jeweils höhere Oxidationsstufe liegt bezüglich ihres Normalpotentials derart hoch, dass Werkstückmaterialien wie Eisen, höher legierte Stähle, z.B. V2A-Stahl, oder andere Metalle durch die höhere Oxidationsstufe chemisch geätzt werden. Des Weiteren ist die jeweils höhere Oxidationsstufe vorteilhafterweise wasserlöslich. Die jeweils niedrigere Oxidationsform ist wenigstens eine gewisse Zeit gegenüber Luftsauerstoff stabil, was ein Arbeiten damit erleichtert. Außerdem treten unter reduktiven Bedingungen keine hartnäckig haftenden Ablagerungen in Form des reduzierten Metalls oder dessen Oxide auf. Als Halogenid können Fluoride, Chloride, Bromide und Iodide eingesetzt werden. Die genannten Metallsalze sind kostengünstig, im Fall der Halogenide insbesondere die Chloride. Vorteilhafterweise kann eine Konzentration des entsprechenden Metallsalzes im Lösungsmittel, insbesondere Wasser, im Bereich der jeweiligen Sättigungskonzentration liegen, d.h. im Bereich von 10g (Gramm) bis 500g, insbesondere 150g bis 350g, pro Liter.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die elektrische Spannung als Spannungspulsfolge angelegt, wobei eine Dauer des jeweiligen Pulses maximal 10ms (Millisekunden), insbesondere maximal 1ms, beträgt. Das Puls-Pausen-Verhältnis wird geeignet gewählt, z.B. in der Größenordnung von 1:1. Längere Pulszeiten führen typischerweise zu einem höheren elektrochemischen Abtrag und niedrigerer Bildungsrate der Ätzspezies, kürzere Pausen in der Regel ebenfalls zu einem höheren elektrochemischen Abtrag. Die Ätz-Spezies in der höheren zweiten Oxidationsstufe wird vermehrt bei kurzen Pulsen gebildet. Demgegenüber führen lange Pulse von 100ms oder mehr eher zum flächigen elektrochemischen Auflösen des Werkstücks um die Bohrung herum, d.h. im Bereich des elektrischen Feldes.
In einer Weiterbildung der Erfindung liegt die elektrische Spannung im Bereich von 10V (Volt) bis 60V, insbesondere im Bereich von 20V bis 40V, und/oder ein durch die elektrische Spannung bewirkter elektrischer Strom umfasst eine Stromdichte von 0,1A/mm² bis 20A/mm², insbesondere von 1A/mm² bis 5A/mm². Eine hohe Spannung und/oder eine hohe Stromdichte erlauben die Umwandlung einer großen Menge Ätz-Spezies in die höhere zweite Oxidationsstufe innerhalb eines kurzen Zeitraums.
Bei Verwendung von Cobalt kann sich an der Gegenelektrode ein Belag von Cobalt aufbauen, bei Mangan ein Belag von Manganoxid, bei Eisen ein Belag von Magnetit (Eisen(II,III)oxid). Da der entsprechende Belag den elektrischen Strom leiten kann, besteht durch den Aufbau des Belags die Gefahr von Kurzschlüssen zum Werkstück. Durch Zugabe von Komplexbildnern (Essigsäure, Cyanide, Citronensäure, Weinsäure, EDTA, Gluconsäure oder Stabilisatoren wie Ammoniumsulfat (Alaunbildung bei Eisen)) können Beläge auf der Gegenelektrode minimal gehalten und die Elektrolyte gegenüber Luftsauerstoff zusätzlich unempfindlicher gemacht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Schritt b unterbrochen und die Gegenelektrode durch ein gegenüber Schritt b umgepoltes Anlegen der elektrischen Spannung, insbesondere durch Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Spannungspulse, gereinigt. Durch kurzzeitiges elektrisches Umpolen, sogenannte Inverspulse oder bipolare Pulse, können Beläge von der Gegenelektrode abgelöst werden. Anschließend kann der Schritt b weitergeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich wird in einer Ausgestaltung der Erfindung ein durch die elektrische Spannung bewirkter elektrischer Strom gemessen und Schritt b wird unterbrochen und die Gegenelektrode wird gereinigt, wenn der gemessene elektrische Strom einen vorgebbaren Strom-Schwellwert überschreitet. Wenn die elektrische Spannung bei Schritt b derart angelegt wird, dass sich ein vorgebbarer Strom einstellt, wird die elektrische Spannung gemessen und Schritt b wird unterbrochen und die Gegenelektrode wird gereinigt, wenn die gemessene elektrische Spannung einen vorgebbaren Spannungs-Schwellwert unterschreitet. Der durch die elektrische Spannung bewirkte elektrische Strom kann als Parameter für einen sich aufbauenden Belag auf der Gegenelektrode verwendet werden. Je dicker der Belag, umso niedriger ist der Abstand zwischen Gegenelektrode und Werkstück. Je niedriger der Abstand, umso niedriger ist der ohmsche Widerstand durch das Elektrolytfluid und umso höher der resultierende Strom. Analog sinkt bei vorgegebenem Strom die anzulegende elektrische Spannung mit steigender Belagdicke. Somit kann durch entsprechende elektrische Messung der Aufbau des Belags überwacht und ggf. durch Umpolen entfernt werden. Des Weiteren kann entsprechend der Überwachung des Belagsaufbaus die Reinigung der Gegenelektrode vorteilhafterweise mittels elektrischer Messung überwacht werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Elektrolytfluid und/oder das Werkstück auf eine Temperatur von 25°C bis 100°C, insbesondere von 30°C bis 90°C, bevorzugterweise von 50°C bis 80°C, temperiert. Einerseits nimmt die Löslichkeit der meisten Metallsalze in Lösungsmitteln mit steigender Temperatur zu. Andererseits nimmt die Verdampfungsrate der meisten Lösungsmittel mit steigender Temperatur zu. Die genannten Temperaturbereiche erlauben einen guten Kompromiss zwischen hoher Löslichkeit und niedriger Verdampfungsrate. Die Ätzrate ist meist stark temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur kräftig zu.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Durchfluss des Elektrolytfluids durch die Öffnung gemessen und Schritt b wird beendet, wenn der gemessene Durchfluss einen vorgebbaren Durchfluss-Schwellwert überschreitet. Der Durchfluss ist in der Regel abhängig von der Form der Öffnung. Durch Messen des Durchflusses können Rückschlüsse bezüglich der Ist-Form der Öffnung gezogen werden bzw. der chemisch materialabtragende Randstrukturierungsprozess der Öffnung kann überwacht werden. Dies kann auch als ein Kalibrieren der Öffnung bezeichnet werden. Hierzu kann auf der Eintrittsseite oder auf der Austrittsseite ein Durchflusssensor, insbesondere ein Massenflusssensor oder ein Volumenflusssensor, angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist ein Mittel zur Bereitstellung des Elektrolytfluids mit der Ätz-Spezies, die zwischen der niedrigeren ersten und der höheren, auf das Werkstück ätzend wirkenden, zweiten Oxidationsstufe umwandelbar ist, in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe auf der Eintrittsseite der Öffnung auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung die Gegenelektrode auf, die zur beabstandeten Positionierung gegenüber der Öffnung auf der Eintrittsseite ausgebildet ist. Außerdem weist die Vorrichtung eine Spannungsquelle auf, die zum Anlegen der elektrischen Spannung zwischen dem elektrisch leitfähigen Werkstück und/oder der werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode und der Gegenelektrode als Kathodenelektrode in Kontakt mit dem Elektrolytfluid zur Umwandlung der Ätz-Spezies im Elektrolytfluid von der ersten in die zweite Oxidationsstufe ausgebildet ist. Zudem weist die Vorrichtung ein Mittel zum Hindurchführen des Elektrolytfluids von der Eintrittsseite durch die Öffnung zur der Eintrittsseite gegenüberliegenden Austrittsseite der Öffnung auf. Zusätzlich kann die Vorrichtung ggf. die werkstücknahe Hilfselektrode aufweisen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Werkstücks mit einer Öffnung und einer Vorrichtung zur Durchführung einer chemisch materialabtragenden Randstrukturierung der Öffnung vor der Strukturierung,
2 eine schematische Ansicht entsprechend 1 nach der Strukturierung,
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Werkstücks mit mehreren Öffnungen und einer Vorrichtung zur Durchführung einer chemisch materialabtragenden Randstrukturierung der Öffnungen vor der Strukturierung und
4 eine schematische Ansicht des Werkstücks der 3 nach der Strukturierung.
Ein in 1 gezeigtes Werkstück 2 weist eine Öffnung 1 auf. Bei dem Werkstück 2 kann es sich beispielsweise um einen Einspritzdüsenkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Eisen, einem höher legierten Stahl oder einem anderen Metall und bei der Öffnung 1 um ein Spritzloch wie eine sogenannte Mini- oder Mikro-Sacklochdüse mit einem Durchmesser von 100µm (Mikrometern) bis 400µm handeln. Vorliegend sei das Werkstück 2 z.B. aus Eisen. Die Öffnung 1 kann z.B. von einer Außenseite bzw. Austrittsseite 7 des Werkstücks 2 her mittels eines mechanischen Abtragprozesses und/oder mittels eines elektroerosiven Abtragprozesses (electrical discharge machining; EDM) und/oder mittels eines elektrochemisch-erosiven Abtragprozesses (electrical chemical discharge machining; ECDM) und/oder mittels eines elektrochemischen Abtragprozesses (electrochemical machining; ECM) und/oder mittels eines Laser-Abtragprozesses erzeugt worden sein. Die Öffnung 1 besitzt eine aufweitende Konizität, d.h. ein Durchmesser der Öffnung 1 auf der Austrittsseite 7 ist größer als ein Durchmesser der Öffnung 1 auf einer der Austrittsseite 7 gegenüberliegenden Eintrittsseite 6. Außerdem kann die Öffnung 1 an der Eintrittsseite 6 scharfe Kanten und/oder Grate aufweisen.
Die Konizität, die scharfen Kanten und die Grate lassen sich mittels der Vorrichtung 100 entfernen bzw. die Öffnung 1 bzw. ihr Rand 3 lässt sich mittels der Vorrichtung 100 strukturieren. In einem Schritt a wird mittels der Vorrichtung 100 auf der Eintrittsseite 6 der Öffnung 1 ein Elektrolytfluid 4 mit einer Ätz-Spezies 5 bereitgestellt. Im vorliegend exemplarisch betrachteten Beispiel umfasst das Elektrolytfluid 4 eine nahezu gesättigte wässrige Eisen(II)-sulfat-Lösung (Fe²⁺SO₄ ^2–). Darin liegen zunächst als Ätz-Spezies 5 Eisen-Ionen in einer niedrigeren ersten Oxidationsstufe (Fe(II)) vor. Die Eisen-Ionen lassen sich in eine höhere zweite Oxidationsstufe (Fe(III)) umwandeln. Eine Temperatur des Elektrolytfluids 4 wird mittels der Vorrichtung 100 auf einen Bereich von 50°C bis 80°C eingestellt.
Die Vorrichtung 100 weist eine Gegenelektrode 8 z.B. aus V2A-Stahl, Titan, Graphit oder Platin auf, die zur beabstandeten Positionierung gegenüber der Öffnung 1 auf der Eintrittsseite 6 ausgebildet ist. Die Gegenelektrode befindet sich in 1 nur vor der Öffnung 1 auf der Eintrittsseite 6 und erstreckt sich nicht in die Öffnung 1 hinein bzw. durch diese hindurch. Die Gegenelektrode 8 ist in einem in 1 oberen Teil 9 elektrisch isoliert. In einem in 1 unteren Teil 10 ist die Gegenelektrode nicht elektrisch isoliert, sondern in elektrischem Kontakt mit dem Elektrolytfluid 4. Des Weiteren weist die Vorrichtung 100 eine Spannungsquelle 12 auf, die zum Anlegen einer elektrischen Spannung V zwischen dem elektrisch leitfähigen Werkstück 2 und der Gegenelektrode 8 ausgebildet ist (elektrische Leitungen sind in 1 durch gepunktete Linien angedeutet).
In einem Schritt b wird die Ätz-Spezies 5 im Elektrolytfluid 4 von der ersten (Fe(II)) in die zweite Oxidationsstufe (Fe(III)) durch Anlegen der elektrischen Spannung V zwischen dem Werkstück als Anodenelektrode (Pluspol) und der Gegenelektrode 8 als Kathodenelektrode (Minuspol) umgewandelt. Im Detail wird die elektrische Spannung V als Spannungspulsfolge angelegt, wobei eine Dauer des jeweiligen Pulses maximal 1ms beträgt und eine Dauer einer jeweiligen Pause zwischen zwei Pulsen mindestens 1ms beträgt. Ein Puls-Pausen-Verhältnis in der Größenordnung von ca. 1:1 erweist sich meist gut geeignet. Bei längeren Pausen sinkt der effektiv wirksame Strom pro Zeiteinheit. Die Höhe der elektrischen Spannung V wird derart festgelegt, dass sich ein Strom I mit einer Stromdichte von 0,1A/mm² bis 20A/mm² einstellt, insbesondere von 5A/mm² bis 10A/mm². Die Höhe der elektrischen Spannung V liegt hierfür typischerweise im Bereich von 20V bis 40V.
Die Vorrichtung 100 weist ein Strommessgerät 13 auf, mit dem der Strom I gemessen werden kann, um mit der Spannungsquelle 12 geeignet eingestellt werden zu können. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung V zwischen dem Werkstück 2 und der Gegenelektrode 8 wird ein elektrisches Feld (in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet) in dem Elektrolytfluid 4 zwischen dem Werkstück 2 und der Gegenelektrode 8 hauptsächlich bzw. mit dem stärksten Feldverlauf vor der Öffnung 1 auf der Eintrittsseite 6 gebildet. Überwiegend wird die Ätz-Spezies 5 von der ersten in die zweite Oxidationsstufe in-situ bzw. lokal am Rand 3 der Öffnung 1 an der Eintrittsseite 6 im Bereich des stärksten elektrischen Feldes, auch Umwandlungsort 20 genannt, elektrochemisch umgewandelt bzw. oxidiert.
Vereinfacht dargestellt laufen im Schritt b am Werkstück 2 am Umwandlungsort 20 folgende Reaktionen ab: Fe²⁺ -> Fe³⁺ + e^– (elektrochemisch) und H₂O -> 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– (elektrochemisch).
Neben der direkten Bildung der Ätz-Spezies 5 in der höheren zweiten Oxidationsstufe durch elektrochemische Oxidation (Fe²⁺ -> Fe³⁺ + e^–) wird entsprechend des eingesetzten Elektrolytfluides 4 bzw. Salzes die Ätz-Spezies 5 in der höheren zweiten Oxidationsstufe auch durch Sekundärreaktionen im Schritt b gebildet. So bildet sich im vorliegenden Fall der Verwendung von Eisen(II)-sulfat elektrochemisch am Umwandlungsort 20 ein Schwefelperoxid-Anion (SO₄ ^2– -> SO₄ ^– + e^–), das dann das Eisen(II) zu Eisen(III) oxidiert (SO₄ ^– + Fe²⁺ -> SO₄ ^2– + Fe³⁺).
An der Gegenelektrode 8 läuft im Schritt b folgende Reaktion ab: e^– + H₂O -> 1/2H₂ + OH^– (elektrochemisch).
Im vorliegenden Fall wirkt die Ätz-Spezies 5 in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe (Fe(II)) nicht chemisch ätzend auf das Werkstück 2. Somit erfolgt ohne Anlegen der elektrischen Spannung kein Materialabtrag am Werkstück 2. Die höhere zweite Oxidationsstufe (Fe(III)) liegt bezüglich ihres Normalpotentials derart hoch, dass das Werkstückmaterial Eisen durch die höhere Oxidationsstufe chemisch geätzt werden kann.
Am Werkstück 2 läuft folgende Reaktion ab: Fe (Werkstückoberfläche) + 2Fe³⁺ -> 3Fe²⁺ (chemisch).
Das Material des Werkstücks 2 wird oxidiert, d.h. es wird von einer niedrigen in eine gegenüber der niedrigen höhere Oxidationsstufe umgewandelt, und die Ätz-Spezies 5 wird reduziert, d.h. von der höheren zweiten Oxidationsstufe in die niedrigere erste Oxidationsstufe zurückgewandelt. Am Umwandlungsort 20 weist das Elektrolytfluid 4 die größte Konzentration an Ätz-Spezies 5 in der höheren zweiten Oxidationsstufe auf bzw. die Ätz-Spezies 5 weist dort ihre höchste Reaktivität auf. Dadurch wird in unmittelbarer Nähe des Umwandlungsorts 20 der Werkstoff 2 von der Ätz-Spezies 5 am stärksten chemisch geätzt bzw. gelöst.
In einem Schritt c wird der Elektrolytfluid 4 mittels der Vorrichtung 100 von der Eintrittsseite 6 durch die Öffnung 1 zu der Austrittsseite 7 unter langsamer Strömungsgeschwindigkeit hindurchgeführt. Während Schritt c ätzt die Ätz-Spezies 5 in der höheren zweiten Oxidationsstufe (Fe(III)) chemisch bzw. löst diese das umgebende Werkstück 2 weiterhin auf. Dabei verarmt die Ätz-Spezies 5 in der höheren zweiten Oxidationsstufe bzw. wird durch Lösen von umliegendem Werkstoff verbraucht. In der Öffnung 1 außerhalb des elektrischen Feldes in Richtung der Austrittsseite 7 wird mehr Ätz-Spezies 5 von der höheren zweiten Oxidationsstufe in die niedrigere erste Oxidationsstufe (Fe(II)) zurückgewandelt als Ätz-Spezies 5 von der niedrigeren ersten Oxidationsstufe in die höhere zweite Oxidationsstufe umgewandelt wird. Die Ätz-Spezies 5 büßt an Reaktivität ein. Somit wird ausgehend vom Umwandlungsort 20 in Richtung Austrittsseite 7 der Öffnung 1 immer weniger Werkstoff 2 von der Ätz-Spezies 5 gelöst.
Durch das zuvor beschriebene Randstrukturierungs-Verfahren mit den Schritten a, b und c werden die scharfen Kanten und Grate am Rand 3 des Eintritts 6 der Öffnung 1 entfernt, die Öffnung 1 wird verrundet. Außerdem verschwindet die aufweitende Konizität der Öffnung 1 und die Öffnung 1 weist nach der Strukturierung über ihre gesamte Länge von der Eintrittsseite 6 bis zur Austrittsseite 7 eine trompeten- bzw. trichterförmige Geometrie auf, wie in 2 zu erkennen. Ein Durchmesser der Öffnung 1 auf der Eintrittsseite 6 ist dann größer als ein Durchmesser der Öffnung 1 auf der Austrittsseite 7. Generell ist ein Maß der trichterförmigen bis trompetenförmigen Aufweitung der Öffnung 1 in Abhängigkeit von Temperatur, Stromdichte, Elektrolytkonzentration, Elektrolytart, Impulszeiten, Bestromungszeit, Durchflussgeschwindigkeit und Elektrodenabstand steuerbar. Während des Verfahrens wird chemisch geätztes Werkstückmaterial im Elektrolytfluid 4 vom Werkstück 2 wegtransportiert. Die Schritte a, b und c werden gleichzeitig durchgeführt, wobei ein isoliert betrachtetes Teilchen der Ätz-Spezies 5 (ein einzelnes Eisen-Ion) die Schritte a, b und c nacheinander durchläuft.
Durch die Verwendung von Eisen(II)-sulfat im Elektrolytfluid kann sich an der Gegenelektrode 8 ein Belag von Magnetit (Eisen(II,III)oxid) aufbauen. Da der entsprechende Belag den elektrischen Strom leiten kann, besteht durch den Aufbau des Belags die Gefahr von Kurzschlüssen zum Werkstück 2. Durch Zugabe von Komplexbildnern (Essigsäure, Cyanide, Citronensäure, Weinsäure, EDTA, Gluconsäure oder Stabilisatoren wie Ammoniumsulfat (Alaunbildung bei Eisen)) werden Beläge auf der Gegenelektrode 8 minimal gehalten und das Elektrolytfluid 4 wird gegenüber Luftsauerstoff zusätzlich unempfindlicher gemacht.
Zudem wird die angelegte elektrische Spannung V mit der Spannungsquelle 12 gemessen und Schritt b wird unterbrochen, wenn die gemessene elektrische Spannung V einen vorgebbaren Spannungs-Schwellwert Vth (z.B. 20V) unterschreitet. Je dicker der Belag, umso niedriger ist der Abstand zwischen Gegenelektrode 8 und Werkstück 2. Je niedriger der Abstand, umso niedriger ist der ohmsche Widerstand durch das Elektrolytfluid 4 und umso niedriger ist bei vorgegebenem Strom I die dafür anzulegende Spannung V. Die anzulegende Spannung V kann somit als Parameter für einen sich aufbauenden Belag auf der Gegenelektrode 8 verwendet werden. Während der Unterbrechung des Schritts b wird die Gegenelektrode 8 durch ein gegenüber Schritt b umgepoltes Anlegen der elektrischen Spannung V von z.B. –40V, insbesondere durch Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Spannungspulse, gereinigt. Durch kurzzeitiges elektrisches Umpolen, sogenanntes Invers- oder bipolares Pulsen, können Beläge von der Gegenelektrode 8 abgelöst werden. Entsprechend der Überwachung des Belagsaufbaus wird die Reinigung der Gegenelektrode 8 mittels elektrischer Messung überwacht. Anschließend wird der Schritt b weitergeführt.
Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform für ein Werkstück 2, eine Vorrichtung 100 und ein Verfahren, wobei hier zum leichteren Verständnis nicht nur identische, sondern auch funktionell äquivalente Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie zu der oben erläuterten Ausführungsform, auf deren Beschreibung insoweit verwiesen werden kann. Im Unterschied zum Werkstück 2 der 1 und 2 weist das Werkstück 2 der 3 und 4 in Form eines Düsenkörperschafts einer Sacklochdüse zwei Öffnungen 1a, 1b auf. Darüber hinaus kann das Werkstück 2 weitere hier nicht dargestellte Öffnungen aufweisen, die über mehrere Ebenen verteilt sind und in unterschiedlichen Winkeln zum Düsenkörperschaft liegen. Die in 3 linke Öffnung 1a weist einen kleineren Durchmesser als die rechte Öffnung 1b auf.
Die Gegenelektrode 8 der Vorrichtung 100 ist zur beabstandeten Positionierung gegenüber den Öffnungen 1a, 1b in dem Werkstück 2 auf der Eintrittsseite 6 ausgebildet. Elektrisch nicht isolierte Teile 10 der Gegenelektrode 8 sind den Öffnungen 1a, 1b auf der Eintrittsseite 6 beabstandet gegenüberliegend angeordnet und befinden sich in elektrischem Kontakt mit dem Elektrolytfluid 4.
Die Vorrichtung 100 weist ein Mittel 11 zur Bereitstellung des Elektrolytfluids 4 mit der Ätz-Spezies 5 auf der Eintrittsseite 6 der Öffnungen 1a, 1b und zur Hindurchführung des Elektrolytfluids 4 von der Eintrittsseite 6 durch die Öffnungen 1a, 1b zu der Austrittsseite 7 auf. Das Mittel 11 umfasst ein Elektrolytfluidvorratsbehältnis 11a mit Temperiereinrichtung zur Temperierung des Elektrolytfluids 4. Des Weiteren weist das Mittel 11 eine Pumpe 11b zum Bereitstellen des Elektrolytfluids 4 und Hindurchführen des Elektrolytfluids 4 auf. Außerdem weist das Mittel 11 einen Durchflusssensor 11c zur Messung eines Gesamtdurchflusses F des Elektrolytfluids 4 durch die Öffnungen 1a, 1b hindurch auf. Das Elektrolytfluidvorratsbehältnis 11a, die Pumpe 11b, der Durchflusssensor 11c und die Eintrittsseite 6 des Werkstücks 2 sind über Fluidleitungen 11d fluidtechnisch miteinander verbunden. Das Elektrolytfluid 4 kann mittels der Pumpe 11b aus dem Elektrolytfluidvorratsbehältnis 11a über den Durchflusssensor 11c zur Eintrittsseite 6 des Werkstücks 2 gepumpt und von dort durch die Öffnungen 1a, 1b zur Austrittsseite 7 hindurchgepumpt werden.
Beim Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens mit den Schritten a, b und c wird die linke Öffnung 1a gegenüber der rechten Öffnung 1b zeitlich schneller vergrößert bzw. strukturiert. Denn ein Strömungswiderstand der linken Öffnung 1a ist größer als ein Strömungswiderstand der rechten Öffnung 1b. Somit weist die linke Öffnung 1a einen gegenüber der rechten Öffnung 1b geringeren Durchfluss an Elektrolytfluid 4 auf. Dadurch verweilt das Elektrolytfluid 4 in der Öffnung 1a zeitlich länger im Bereich des elektrischen Feldes und somit ist dort eine höhere Konzentration an Ätz-Spezies 5 in der höheren zweiten Oxidationsstufe vorhanden, da elektrochemisch nur eine bestimmte Menge pro Zeiteinheit an höher geladener Ätz-Spezies 5 generiert werden kann. Dies führt zu einer Angleichung der Durchmesser der verschiedenen Öffnungen 1a, 1b, wie in 4 zu erkennen.
Mittels des Durchflusssensors 11c wird der Gesamtdurchfluss F des Elektrolytfluids 4 durch die Öffnungen 1a, 1b hindurch gemessen. Je größer der Durchmesser der Öffnungen 1a, 1b und je strömungstechnisch günstiger deren Form durch das zuvor beschriebene Verfahren schon geworden ist, umso größer ist der Gesamtdurchfluss F durch die Öffnungen 1a, 1b. Wenn der gemessene Gesamtdurchfluss F einen vorgebbaren Durchfluss-Schwellwert Fth überschreitet, wird der Schritt b beendet, da dann die Öffnungen 1a, 1b ihre Soll-Form erreicht haben. Dieses Vorgehen wird als Kalibrieren der Öffnungen 1a, 1b bezeichnet.
Das oben beschriebene Verfahren kann vorteilhafterweise unter Schutzgas (Argon, Stickstoff) durchgeführt werden. Dies verlängert in der Regel die Lebensdauer des Elektrolytfluids mit der Ätz-Spezies, die in der niedrigeren Oxidationsform wenigstens eine gewisse Zeit gegenüber Luftsauerstoff stabil ist.
In den gezeigten Ausführungsformen umfasst der Schritt a des Bereitstellens des Elektrolytfluids mit der Ätz-Spezies in der niedrigeren Oxidationsstufe ein Bereitstellen einer Eisen(II)-sulfat-Lösung. Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt a des Bereitstellens des Elektrolytfluids mit der Ätz-Spezies in der niedrigeren Oxidationsstufe ein Bereitstellen einer Cobalt(II)-sulfat-Lösung, einer Cobalt(II)-chlorid-Lösung oder anderen Cobalt(II)-halogenid-Lösung, einer Cobalt(II)-nitrat-Lösung, einer Cobalt(II)-chlorat-Lösung, einer Cobalt(II)-perchlorat-Lösung, einer Mangan(II)-sulfat-Lösung, einer Mangan(II)-chlorid-Lösung oder anderen Mangan(II)-halogenid-Lösung, einer Mangan(II)-nitrat-Lösung, einer Mangan(II)-chlorat-Lösung, einer Mangan(II)-perchlorat-Lösung, einer Eisen(II)-halogenid-Lösung, einer Eisen(II)-perchlorat-Lösung, einer Ammoniumeisen(II)-sulfat-Lösung, einer Natriumhexacyanoferrat(II)-Lösung, einer Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung, einer Cer(III)-sulfat-Lösung, einer Cer(III)-chlorid-Lösung oder anderen Cer(III)-halogenid-Lösung, einer Cer(III)-nitrat-Lösung, einer Cer(III)-perchlorat-Lösung, einer Zinn(II)-sulfat-Lösung, einer Zinn(II)-chlorid-Lösung oder anderen Zinn(II)-halogenid-Lösung, Zinn(II)-perchlorat-Lösung oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Lösungen umfassen. Als Halogenide können die Fluoride, Chloride, Bromide und Iodide eingesetzt werden. Für entsprechende Anwendungsfälle können auch Salze der Metalle Kupfer, Silber, Ruthenium, Blei und Thallium eingesetzt werden.
Des Weiteren wird in den gezeigten Ausführungsformen im Schritt b die Ätz-Spezies von der ersten in die zweite Oxidationsstufe durch Anlegen der elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück als Anodenelektrode und der Gegenelektrode als Kathodenelektrode umgewandelt. Alternativ oder zusätzlich kann im Schritt b die Ätz-Spezies von der ersten in die zweite Oxidationsstufe durch Anlegen der elektrischen Spannung zwischen einer werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode und der Gegenelektrode als Kathodenelektrode in Kontakt mit dem Elektrolytfluid umgewandelt werden, wozu die Vorrichtung die Hilfselektrode aufweisen kann.
Außerdem befindet sich die Gegenelektrode in den gezeigten Ausführungsformen nur vor der jeweiligen Öffnung auf der Eintrittsseite. Alternativ kann sich die Gegenelektrode mit ihrem nicht isolierten Teil bis zu einem Eintritt der jeweiligen Öffnung oder bis zu einer gewissen Tiefe in die Öffnung hinein erstrecken.
Anhand der gezeigten Ausführungsformen wurde die chemisch materialabtragende Randstrukturierung erläutert. Zusätzlich kann am Werkstück im Bereich des elektrischen Feldes ein elektrochemisches Abtragen und/oder ein elektrochemisches Ätzen des Werkstücks stattfinden. Für das elektrochemische Abtragen kann das Elektrolytfluid eine neutrale, wässrige Salzlösung mit Kationen aus der Gruppe der Alkalimetalle und deren Halogenid-, Sulfat-, Nitrat-, Chlorat- und Perchlorat-Anionen umfassen, insbesondere Natriumchlorid (NaCl), Natriumsulfat (Na₂SO₄), Natriumnitrat (NaNO₃), Natriumchlorat (NaClO₃) oder Natriumperchlorat (NaClO₄). Für das elektrochemische Ätzen kann das Elektrolytfluid saure oder alkalische Elektrolyte (sauer: Phosphor-, Schwefel- oder Perchlorsäure; alkalisch: Cyanide) umfassen. Zudem können ionenwanderungsbremsende Zusätze wie Essigsäure oder mehrwertige Alkohole vorgesehen werden.
In einer der gezeigten Ausführungsformen ist der Durchflusssensor strömungstechnisch vor den dortigen Öffnungen angeordnet. Generell kann er auch hinter einer Öffnung angeordnet sein. Des Weiteren wird das Elektrolytfluid temperiert. Alternativ oder zusätzlich kann das Werkstück temperiert werden, wozu die Vorrichtung eine entsprechende Temperiereinrichtung aufweisen kann.
Wie die gezeigten und oben erläuterten Ausführungsformen deutlich machen, stellt die Erfindung ein Verfahren zur chemisch materialabtragenden Randstrukturierung einer Öffnung in einem elektrisch leitfähigen Werkstück sowie einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zur Verfügung, wobei mit dem Verfahren eine komplexe Soll-Form, insbesondere eine Trompeten- bzw. Trichterform, der Öffnung erreichbar ist und bei mehreren Öffnungen eine Angleichung deren Durchmesser möglich ist.

Claims

Verfahren zur chemisch materialabtragenden Randstrukturierung einer Öffnung (1, 1a, 1b) in einem elektrisch leitfähigen Werkstück (2), mit den Schritten: a. Bereitstellen eines Elektrolytfluids (4) mit einer Ätz-Spezies (5), die zwischen einer niedrigeren ersten und einer höheren, auf das Werkstück ätzend wirkenden, zweiten Oxidationsstufe umwandelbar ist, in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe auf einer Eintrittsseite (6) der Öffnung, b. Umwandeln der Ätz-Spezies im Elektrolytfluid von der ersten in die zweite Oxidationsstufe durch Anlegen einer elektrischen Spannung (V) zwischen dem Werkstück und/oder einer werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode und einer der Öffnung auf der Eintrittsseite beabstandet gegenüberliegenden Gegenelektrode (8) als Kathodenelektrode in Kontakt mit dem Elektrolytfluid und c. Hindurchführen des Elektrolytfluids von der Eintrittsseite durch die Öffnung zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden Austrittsseite (7) der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a des Bereitstellens des Elektrolytfluids (4) mit der Ätz-Spezies (5) in der niedrigeren Oxidationsstufe ein Bereitstellen einer Cobalt(II)-sulfat-Lösung, einer Cobalt(II)-halogenid-Lösung, einer Cobalt(II)-nitrat-Lösung, einer Cobalt(II)-chlorat-Lösung, einer Cobalt(II)-perchlorat-Lösung, einer Mangan(II)-sulfat-Lösung, einer Mangan(II)-halogenid-Lösung, einer Mangan(II)-nitrat-Lösung, einer Mangan(II)-chlorat-Lösung, einer Mangan(II)-perchlorat-Lösung, einer Eisen(II)-sulfat-Lösung, einer Eisen(II)-halogenid-Lösung, einer Eisen(II)-perchlorat-Lösung, einer Ammoniumeisen(II)-sulfat-Lösung, einer Natrium-hexacyanoferrat(II)-Lösung, einer Kalium-hexacyanoferrat(II)-Lösung, einer Cer(III)-sulfat-Lösung, einer Cer(III)-halogenid-Lösung, einer Cer(III)-nitrat-Lösung, einer Cer(III)-perchlorat-Lösung, einer Zinn(II)-sulfat-Lösung, einer Zinn(II)-halogenid-Lösung, einer Zinn(II)-perchlorat-Lösung oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Lösungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung als Spannungspulsfolge angelegt wird, wobei eine Dauer des jeweiligen Pulses maximal 10ms beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung im Bereich von 10V bis 60V liegt und/oder ein durch die elektrische Spannung bewirkter elektrischer Strom (I) eine Stromdichte von 0,1A/mm²bis 20A/mm² umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Unterbrechen des Schrittes b und ein Reinigen der Gegenelektrode (8) durch ein gegenüber Schritt b umgepoltes Anlegen der elektrischen Spannung.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch – Messen eines durch die elektrische Spannung bewirkten elektrischen Stroms und Unterbrechen des Schrittes b und Reinigen der Gegenelektrode bei Überschreiten eines vorgebbaren Strom-Schwellwerts oder – Anlegen der elektrischen Spannung derart, dass sich ein vorgebbarer Strom (I) einstellt, Messen der elektrischen Spannung und Unterbrechen des Schrittes b und Reinigen der Gegenelektrode (8) bei Unterschreiten eines vorgebbaren Spannungs-Schwellwerts (Vth).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Temperieren des Elektrolytfluids (4) und/oder des Werkstücks (2) auf eine Temperatur zwischen 25°C bis 90°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Messen eines Durchflusses (F) des Elektrolytfluids (4) durch die Öffnung (1a, 1b) und Beenden des Schrittes b bei Überschreiten eines vorgebbaren Durchfluss-Schwellwerts (Fth).
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur chemisch materialabtragenden Randstrukturierung einer Öffnung (1, 1a, 1b) in einem elektrisch leitfähigen Werkstück (2), mit – einem Mittel (11, 11a, 11b, 11d) zur Bereitstellung eines Elektrolytfluids (4) mit einer Ätz-Spezies (5), die zwischen einer niedrigeren ersten und einer höheren, auf das Werkstück ätzend wirkenden, zweiten Oxidationsstufe umwandelbar ist, in der niedrigeren ersten Oxidationsstufe auf einer Eintrittsseite (6) der Öffnung, – einer Gegenelektrode (8), die zur beabstandeten Positionierung gegenüber der Öffnung auf der Eintrittsseite ausgebildet ist, – einer Spannungsquelle (12), die zum Anlegen einer elektrischen Spannung (V) zwischen dem elektrisch leitfähigen Werkstück und/oder einer werkstücknahen Hilfselektrode als Anodenelektrode und der Gegenelektrode als Kathodenelektrode in Kontakt mit dem Elektrolytfluid zur Umwandlung der Ätz-Spezies im Elektrolytfluid von der ersten in die zweite Oxidationsstufe ausgebildet ist, und – einem Mittel (11, 11b) zum Hindurchführen des Elektrolytfluids von der Eintrittsseite durch die Öffnung zu einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden Austrittsseite (7) der Öffnung.