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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung und/oder zur Überprüfung einer Elektrode zum elektrochemischen Abtragen, eine Elektrode zum elektrochemischen Abtragen und die Verwendung dieser hergestellten Elektrode zur Herstellung eines Bauteils.
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Das elektrochemische Abtragen (ecm – electro chemical machining) ist ein abtragendes Fertigungsverfahren und eignet sich insbesondere für sehr harte Werkstoffe, wie z.B. Nickelsuperlegierungen. Das elektrochemische Abtragverfahren kann ferner sehr komplizierte räumliche Formen herstellen, wie z.B. Schaufelblätter von Triebwerkslauf- und/oder Leitschaufeln.
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Beim elektrochemischen Abtragen wird das Werkstück als Anode (positiv) und das Werkzeug (Elektrode) als Kathode (negativ) polarisiert. Zwischen der Anode und Kathode muss immer ein Spalt (sogenannter Senkspalt) vorhanden sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Im Senkspalt befindet sich ein Elektrolyt, das das abgetragene Material des Werkstücks mittels der an der Anode und Kathode angelegte Spannung herauslöst. Das elektrochemische Abtragen kann kontinuierlich oder gepulst (PECM = pulsed electro chemical machining oder PECM = precise electro chemical machining) durchgeführt werden. Dabei gibt die Elektrode die Form des Werkstücks vor, d.h. die Form der Elektrode wird in das Werkstück abgebildet. Daher wird die Elektrode typischerweise mit äquidistantem Abstand zu jedem Punkt der Soll-Oberfläche des Werkstücks gebildet. Dabei wird angenommen, dass über die Abtragzeit das Abtragverhalten an jedem Werkstückpunkt identisch ist.
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Allerdings hat es sich gezeigt, dass das Abtragverhalten sich unter bestimmten Umständen nicht konstant verhält, so dass an manchen Stellen des Werkstücks in unerwünschter Weise zu viel Material abgetragen wird, so dass die Werkstücke nicht mehr maßhaltig sind.
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So wirken sich die Maßabweichungen beispielsweise bei einem Schaufelblatt an den Ein- und Austrittskanten besonders stark aus.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Auslegung einer Elektrode vorzustellen, die solche Abbildefehler in den Werkstücken vermeidet, sowie eine entsprechend ausgelegte Elektrode bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst sowie durch die Merkmale der Ansprüche 13 und 14.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung und/oder zur Überprüfung einer Elektrode für das elektrochemische Abtragen mit den Schritten:
- a. Ein 3D-Modell eines herzustellenden Bauteils wird bereit gestellt.
- b. Auf mindestens einem bestimmten Bereich der Bauteiloberfläche werden mehrere Punkten verteilt.
- c. Dabei wird mindestens eines der Bauteilpunkte entlang eines Normalvektors um einen entsprechenden Senkspalt verschoben, der von einem Raumwinkel abhängt, wobei der Normalenvektor diesem Bauteilpunkt zugeordnet ist.
- d. Anhand des mindestens einen verschobenen Punktes (E1‘, E2‘) und/oder des mindestens einen unverschobenen Punktes (B1, B2) wird eine Elektrodenfläche erzeugt.
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Es hat sich gezeigt, dass der Senkspalt vom Raumwinkel, der zwischen der Zustellrichtung und der Flächennormale der Elektrode begrenzt wird, abhängt. Dabei wird in vorteilhafterweise dies nun berücksichtigt. An den Stellen, an denen eine äquidistante Elektrode zu viel abtragen würde, wird nun die Elektrode anders gestaltet, so dass der entsprechende Senkspalt zwischen der Elektrode und dem Bauteil derart größer wird, dass nach dem elektrochemischen Abtragen im Wesentlichen die Sollkontur des Bauteils hergestellt wird. Der bestimmte Bereich in Schritt a. kann beispielsweise nur die Druck- oder die Saugseite einer Schaufel sein. Vorzugsweise weist der Normalenvektor des Bauteils die Länge eines Stirnspalts auf. Der Stirnspalt erzeugt den kleinsten Materialabtrag und ist mit einem Raumwinkel von 0° definiert, so dass die Zustellrichtung entlang der Flächennormalen bzw. dem Normalenvektor der Elektrode bzw. entlang dem Normalenvektor des Bauteils verläuft. Diese beiden Normalenvektoren verlaufen vorzugsweise parallel zueinander.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Senkspalt gleich groß wie ein Stirnspalt, wenn der Raumwinkel kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 15° ist. Die hat den Vorteil, dass nur die Stellen der Elektrodenoberfläche angepasst werden müssen, die tatsächlich auch einen größeren als erwarteten Abtrag verursachen. Damit wird viel Rechenzeit eingespart. Typischerweise wird der äquidistante Abstand gleich dem Stirnspalt gewählt. Es können jedoch auch alle Punkte berechnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hängt in Schritt b. die Punktedichte der verteilten Punkte von der Krümmung der Bauteiloberfläche ab. Vorzugsweise ist die Punktedichte bei einer starken Krümmung hoch. Alternativ oder in Kombination ist die Punktedichte bei einer schwachen Krümmung niedrig. Somit ist die Punkteverteilung dynamisch, d.h., dass die Punkteverteilung abhängig von der Krümmung ist. Damit werden nur dort Stützpunkte gelegt, wo sie notwendig sind, um eine bestimmte Genauigkeit zu gewährleisten. Ist beispielsweise der bestimmte Bereich in Schritt b. die Vorderkante eines Schaufelblatt, so weist die Vorderkante eine stärkere Krümmung auf als beispielsweise die Druckseite einer Verdichterschaufel. Daher werden vorzugsweise auf der kleinen Fläche der Vorderkante sehr viel mehr Punkte benötigt als beispielsweise auf der gesamten Fläche einer verhältnismäßig großen Druckseite.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Raumwinkel zwischen dem Normalenvektor des Bauteils und einer Zustellrichtung der Elektrode begrenzt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Raumwinkel an jedem Normalenvektor des Bauteils kleiner gleich 90°. Ein Raumwinkel mit 90° bedeutet, dass die Elektrode parallel zur Bauteiloberfläche verschoben wird. Ein Winkel größer als 90° würde bedeuten, dass sich die Elektrode nicht auf die Oberfläche sondern von der Oberfläche weg bewegen würde. Dies sollte bei der Auslegung der Elektrode ausgeschlossen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abhängigkeit des Senkspalts vom Raumwinkel mathematisch bestimmt. Dies erfolgt über Formeln mit den kompletten Verfahrensparametern, die den Senkvorgang bestimmen. Dazu gehören insbesondere die Temperatur des Elektrolyts, der Einfahrwinkel, die angelegte Spannung, das verwendete Elektrolyt, die Konzentration des Elektrolyts, die spezifische Leitfähigkeit, die Abtraggeschwindigkeit, die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Polarisationsspannung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abhängigkeit des Senkspalts empirisch bestimmt. Vorzugsweise wird dies mit den folgenden Schritten durchgeführt:
- I. Eine Elektrode mit äquidistantem Abstand zur Oberfläche des 3D-Modells des herzustellenden Bauteils wird bereit gestellt.
- II. Ein Ist-Bauteils mit der äquidistanten Elektrode wird hergestellt.
- III. Mehrere Punkte werden auf der Oberfläche der äquidistanten Elektrode verteilt.
- IV. Mindestens ein tatsächlicher Senkspalt zwischen mindestens einem der Elektrodenpunkte und der Oberfläche des Ist-Bauteils wird bestimmt.
- V. Der Senkspalt wird einem Raumwinkel der Elektrode zugeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Schritt III mindestens einem der Elektrodenpunkte mindestens ein Normalenvektor zugeordnet. Vorzugsweise weist der Normalenvektor die Länge des Stirnspalts auf. Vorzugsweise erhalten alle auf der Elektrodenoberfläche verteilten Elektrodenpunkte jeweils einen Normalenvektor.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Schritt V. der Raumwinkel zwischen dem Normalenvektor der äquidistanten Elektrodenoberfläche und der Zustellrichtung der Elektrode ermittelt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht in Schritt IV. der Senkspalt dem Abstand zwischen dem Punkt auf der äquidistanten Elektrodenoberfläche und dem Schnittpunkt auf der Oberfläche des Ist-Bauteils entlang dem entsprechenden Normalenvektor der Elektrodenoberfläche.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Zwischenwerte des Senkspalts mittels einer kubischen Spline-Funktion berechnet. Dies hat den Vorteil, dass wenige Stützpunkte ausgemessen werden müssen, um die Elektrode in allen Punkten korrekt auslegen zu können. Dies spart zusätzlich Rechenzeit.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode zum elektrochemischen Abtragen.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Bauteil, das mit einer Elektrode zum chemischen Abtragen hergestellt wurde.
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Weitere Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Im Weiteren werden anhand der schematischen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1: einen Schnitt durch ein Bauteil und eine erfindungsgemäß ausgelegte Elektrode,
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2: einen Schnitt durch ein Bauteil und eine äquidistante Elektrode, und
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3: die gemessene und interpolierte Abhängigkeit des Senkspalts zum Raumwinkel.
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch ein herzustellendes Bauteil 2 mit einer Oberfläche 4 und einer erfindungsgemäß ausgelegten Elektrode 6 mit einer Oberfläche 8, die bei der Bearbeitung des Bauteils in eine Zustellrichtung v verschob wird. Auf der Bauteiloberfläche 4 sind hier nur zwei Bauteilpunkte B1 und B2 eingezeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden keine weiteren Bauteilpunkte in der 1 eingezeichnet.
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Dem ersten Bauteilpunkt B1 wird ein erster Normalenvektor u B1 zugeordnet. Dem zweiten Bauteilpunkt B2 wird ein zweiter Normalenvektor u B2 zugeordnet. Es können beliebig viele Punkte auf der Bauteiloberfläche 4 verteilt werden. Die Normalenvektoren u B1 und u B2 weisen vorzugsweise die Länge des Stirnspalts s0 auf. Daher liegt die Spitze des zweiten Normalenvektors u B2 auf der gestrichelten Linie, die die äquidistante Fläche 18 zur Bauteiloberfläche 4 darstellt. Die Gerade g1 verlängert den Normalenvektor u B1 und schneidet dabei den Zustellvektor v. Diese beiden Vektoren u B1 und v begrenzen einen zum Bauteilpunkt B1 zugehörigen ersten Raumwinkel ΘB1. Der Winkel beträgt in diesem Beispiel ca. 42°. Die Gerade g1 schneidet die äquidistante Fläche 18 im Punkt D1. Die Gerade g2 verlängert den Normalenvektor u B2 und schneidet dabei den Zustellvektor v. Diese beiden Vektoren u B2 und v begrenzen einen zum Bauteilpunkt B2 zugehörigen zweiten Raumwinkel ΘB2. Der Winkel beträgt in diesem Beispiel 83°. Die Gerade g2 schneidet die äquidistante Fläche 18 im Punkt D2.
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Nun wird der Punkt B1 entlang der ersten Geraden g1 um einen ersten Senkspalt sB1 auf den Punkt D1‘ verschoben, wobei der erste Senkspalt sB1 dem ersten Raumwinkel ΘB1 nun zugeordnet wird. Da der erste Senkspalt sB1 fast genauso lang ist wie der Stirnspalt s0, sind die Punkte D1 und D1‘ auf fast der gleichen Stelle positioniert. Dabei ist anzumerken, dass der erste Senkspalt sB1 fast den Absolutbetrag des Normalenvektors u B1 aufweist.
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Nun wird der Punkt B2 entlang der zweiten Geraden g2 um einen zweiten Senkspalt sB2 auf den Punkt D2‘ verschoben, wobei der zweite Senkspalt sB2 dem zweiten Raumwinkel ΘB2 nun zugeordnet wird. Der zweite Senkspalt sB2 ist um den Betrag fΘE2 (sogenannter Spaltwert) länger als der Stirnspalt s0. Aus der 1 ist nun zu entnehmen, dass der erste Senkspalt sB1 kleiner ist als der zweite Senkspalt sB2. Abschließend wird durch die verschobenen Punkte D1‘ und D2‘ eine neue Elektrodenoberfläche 8 aufgespannt. Da der Punkt D1 kaum verschoben wird, kann statt des Punktes D1‘ auch der unverschobene Punkt D1 verwendet werden, da der nicht eingezeichnete und der zum Punkt D1 zugeordnete Spaltwert fΘE1 ca. gleich Null wäre. Diese neue Elektrodenoberfläche 8 verläuft durch die vorschobenen Punkte D2‘ und/oder die unverschobenen Punkte D1. Die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte D1 und D2‘ sind als 3D-Daten hinterlegt. Anhand der 3D-Daten kann eine Elektrode mit der neuen Elektrodenoberfläche 8 hergestellt werden. Dabei eignen sich generative Verfahren, wie das selektive Lasersintern. Liegt dagegen eine „äquidistante“ Elektrode 16 (siehe 2) bereits vor, kann diese entsprechend der 3D-Daten nachbearbeitet werden, so dass nur an den entsprechenden Stellen Material entfernt wird, beispielsweise durch Fräsen.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch ein Ist-Bauteil 12 mit einer Oberfläche 14 und eine äquidistante Elektrode 16 mit einer Oberfläche 18. In der 3 ist die gemessene und interpolierte Abhängigkeit vom Senkspalt zum Raumwinkel Θ abgebildet.
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Anhand dieser beiden 2 und 3 wird nun im Folgenden beschrieben, wie die Abhängigkeit des Senkspaltes vom Raumwinkel empirisch ermittelt wird.
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Als erstes liegt das 3D-Modell des herzustellenden Bauteils 2 mit der (gestrichelt dargestellten) Oberfläche 4 vor. Zu dieser Oberfläche 4 wird nun eine äquidistante Oberfläche 18 für die Elektrode 16 gebildet. Dazu werden die Punkte B1, und B2 der Oberfläche 4 lediglich entlang ihre Normalenvektoren u B1 und u B2 mit der Länge, die dem Stirnspalt s0 entspricht, auf den entsprechenden Punkten D1 und D2 verschoben (siehe 1). Durch diese Punkte D1 und D2 wird dann eine äquidistante Oberfläche 18 aufgespannt. Je mehr Stützpunkte verwendet werden, umso genauer wird die spätere Abbildung des 3D-Modell des herzustellenden Bauteils 2.
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Anschließend wird mit dieser äquidistanten Elektrode 16 das Ist-Bauteil 12 mit der Oberfläche 14 hergestellt. Dabei wird die Elektrode 16 entlang der Zustellrichtung v auf den Werkstoff des Bauteils 14 zu bewegt. Alternativ oder in Kombination dazu könnte sich auch das Bauteil 14 auf die Elektrode 16 zu bewegen. Auf der äquidistanten Oberfläche 18 werden hier zwei Punkte E1 und E2 verteilt. Diese beiden Punkte E1 und E2 können mit den Punkten D1 und D2 identisch sein. In der 2 wurden statt der Punkte D1 und D2 die neuen Punkte E1 und E2 verwendet. Jedem Punkt E1 bzw. E2 wird ein Normalenvektor u E1 bzw. u E2 zugeordnet. Hier weisen die Normalenvektoren u E1 und u E2 die Länge des Stirnspalts s0 auf. Daher liegen die Pfeilspitzen der Normalenvektoren u E1 und u E2 auf der Oberfläche 4 (gestrichelt dargestellt) des herzustellenden Bauteils 2.
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Die rechte Seite der Geraden h1 verlängert den Normalenvektor u E1 und schneidet dabei den Zustellvektor v. Diese beiden Vektoren u E1 und v begrenzen einen zum Elektrodenpunkt E1 zugehörigen ersten Raumwinkel ΘE1. Der Winkel beträgt in diesem Beispiel ca. 51°. Die linke Seite der Geraden h1 schneidet die Ist-Oberfläche 14 im Punkt R1. Es wird der Senkspalt sE1 ermittelt. Dies ist der Abstand zwischen den Punkten E1 und R1. Damit wurde ein erstes Meßpaar sE1 und ΘE1 ermittelt und in den Graphen der 3 eingetragen.
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Die rechte Seite der Gerade h2 verlängert den Normalenvektor u E2 und schneidet dabei den Zustellvektor v. Diese beiden Vektoren u E2 und v begrenzen einen zum Elektrodenpunkt E2 zugehörigen zweiten Raumwinkel ΘE2. Der Winkel beträgt in diesem Beispiel 62°. Die linke Seite der Geraden h2 schneidet die Ist-Oberfläche 14 im Punkt R2. Es wird der Senkspalt sE2 ermittelt. Dies ist der Abstand zwischen den Punkten E2 und R2. Damit wurde ein zweites Meßpaar sE2 und ΘE2 ermittelt und in den Graphen der 3 eingetragen. Es können beliebig viele Meßpaare ermittelt und in den Graphen der 3 eingetragen werden. Anschließend wird durch die Meßpunkte eine kubische Spline-Funktion gelegt, um die Zwischenwerte berechnen zu können.
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Alternativ oder in Kombination dazu könnte statt der Abhängigkeit des Senkspalts vom Raumwinkel die Abhängigkeit des Spaltwerts fΘ vom Raumwinkel ermittelt werden. Dies ergäbe eine Kurve, die den gleichen Verlauf aufweist wie die Kurve 30 aus der 3, wobei diese Kurve 30 dann lediglich um den Betrag des Stirnspalts s0 entlang der y-Achse nach unten verschoben wäre, denn es gilt: sEY = s0 + fΘ, wobei s0 für den Stirnspalt; fΘEY, für den Spaltwert im Punkt EY und sEY für den Senkspalt im Punkt EY stehen.
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In der 3 ist die gemessene und interpolierte Kurve 30 abgebildet, wobei der Senkspalt sEY über den Raumwinkel Θ dargestellt ist. Der linke Bereich der Kurve 30 zeigt, dass der Senkspalt bis ca. 30° Raumwinkel sich kaum verändert. Daher herrschen in diesem linken Bereich 31 sogenannte Stirnspaltverhältnisse. Ab ca. 30° bis 50° Raumwinkel ist ein Übergangsbereich 32 zu sehen, bei dem die Raumwinkelabhängigkeit langsam zunimmt. Ab ca. 50° bis 90° Raumwinkel (der rechte Bereich 34 der Kurve 30) ist der Senkspalt derart groß, dass man von Seitenspaltverhältnissen spricht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- herzustellendes Bauteil
- 4
- Oberfläche von 2
- 6
- erfindungsgemäße Elektrode
- 8
- Oberfläche von 6
- 12
- Ist-Bauteil
- 14
- Oberfläche von 12
- 16
- äquidistante Elektrode
- 18
- Oberfläche von 16
- 30
- Kurve
- 31
- linker Bereich von 30
- 32
- Übergangsbereich von 30
- 34
- rechter Bereich von 30
- B1, B1
- Punkte auf Oberfläche 4
- D1, D2
- Punkte auf der Oberfläche 18
- D1‘, D2‘
- Punkte auf der Oberfläche 8
- E1, E2
- Punkte auf der Oberfläche 18
- R1, R2
- Punkte auf der Oberfläche 14
- Θ
- Raumwinkel
- g1, g2
- Gerade durch u B1 bzw u B2
- h1, h2
- Gerade durch u E1 bzw u E2
- s0
- Stirnspalt
- sB1; sB2
- Senkspalt am Punkt B1 bzw. B2
- sE1; sE2
- Senkspalt am Punkt E1 bzw. E2
- u B1; u B2
- Normalenvektor am Punkt B1 bzw. B2
- u E1; u E1
- Normalenvektor am Punkt E1 bzw. E2
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v
- Zustellvektor bzw. Zustellrichtung
