DE102016114969A1

DE102016114969A1 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrolytischen Polieren und Verfahren zum Herstellen einer Kathode

Info

Publication number: DE102016114969A1
Application number: DE102016114969.1A
Authority: DE
Inventors: Patrick Matt; Fabio Augusto Wosniak
Original assignee: Extrude Hone GmbH
Current assignee: Extrude Hone GmbH
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: US20190177872A1; EP3472375A1; KR20190020737A; WO2017220633A1; DE102016114969B4

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrolytischen Polieren von Innenseiten (22) einer Ausnehmung in einem Werkstück (14) aus Metall, insbesondere einem dreidimensional gedruckten Werkstück sieht vor, dass eine Kathode (30) in die Ausnehmung eingebracht wird und unter Verwendung eines eine langsame Diffusionsgeschwindigkeit aufweisenden Elektrolyts (12) die Innenseite der Ausnehmung poliert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrolytischen Polieren einer Innenseite einer Ausnehmung in einem Werkstück aus Metall, insbesondere einer Ausnehmung in einem durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellten Werkstück. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Kathode.
Verfahren zum elektrolytischen Bearbeiten von Werkstücken sind bekannt. Dabei wird das Werkstück in ein Elektrolytbad gegeben und als Anode angeschlossen. Eine Kathode als Werkzeug wird möglichst nahe an das Werkstück positioniert, wobei die Form der werkstückzugewandten Oberseite der Kathode möglichst der später herzustellenden Oberfläche auf dem Werkstück entsprechend sollte. Zudem sollte der sogenannte Arbeitsspalt zwischen Werkstück und Kathode klein und gleichmäßig sein, um die Auflösung des Werkstoffs am Werkstück zügig und gleichmäßig zu machen.
Solche durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellte, insbesondere dreidimensional gedruckte Werkstücke haben oft Ausnehmungen, die nicht mechanisch feinbearbeitet werden können, weil der Verlauf dieser Ausnehmungen nicht linear ist. Auch der Querschnitt der Ausnehmungen kann so gering sein, dass sich ein mechanisches Polierverfahren nicht oder zumindest nicht wirtschaftlich durchführen lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es folglich, diese Nachteile zu beseitigen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum elektrolytischen, anodischen Polieren einer Innenseite einer Ausnehmung in einem Werkstück aus Metall, insbesondere in einem durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestelltem Werkstück, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

A) Eintauchen des Werkstücks in ein Elektrolyt, das ein Salz, Wasser und Alkohol mit einem Mindestgewichtsanteil von 20 bis 70 %, insbesondere 40 bis 70 % pro Liter Elektrolytenthält,
B) Anschließen des Werkstücks an einen positiven Pol, sodass das Werkstück eine Anode bildet,
C) Vorsehen zumindest einer Kathode im Elektrolyt und in der Ausnehmung,
D) Vorsehen einer Relativbewegung zwischen Elektrolyt und Werkstück, und
E) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Anode und der zumindest einen Kathode.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, die nachfolgend noch vorgestellt wird, beschränkt sich nicht auf das Entgraten eines Werkstücks. Die Erfindung betrifft vielmehr das Polieren von Flächen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein auf der Innenseite einer Ausnehmung raues Werkstück durch elektrolytisches Polieren zu bearbeiten, wobei das eingesetzte Elektrolyt für eine langsame Bewegungsgeschwindigkeit der Ionen sorgt. Die Ionenbewegungsgeschwindigkeit beträgt im Betrieb 0,1 bis 5 m/sec. Dies ist das Gegenteil dessen, was man für eine Innenbearbeitung einer Ausnehmung für eine Flächenbearbeitung eigentlich vorsehen würde, denn aufgrund der ohnehin schlechteren Zugänglichkeit des Elektrolyts und der Kathode in bzw. zu der Ausnehmung ist ein Elektrolyt, das für eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit sorgt, auf den ersten Blick geeigneter für eine großflächige Bearbeitung, um vorgenannte Nachteile zu kompensieren. Die Erfindung schlägt jedoch den gegenteiligen Weg ein. Durch den Elektrolyt lassen sich größere Spaltbreiten realisieren, was wiederum dazu führt, dass die Kathoden weniger exakt dem Verlauf der Ausnehmung folgen müssen, denn die Spaltbreite ist gleichzeitig ein Abstand, der die Geometrietoleranz der Kathode beeinflusst. Darüber hinaus sorgt die langsamere Diffusionsgeschwindigkeit und damit die langsamere Bearbeitung für eine Art Ausgleichseffekt innerhalb des Spalts bezüglich Abtragungsspitzen. Das wiederum bedeutet, dieser Effekt dient dazu, dass bei wesentlich geringerer Stromdichte gearbeitet werden kann. Dieser Ausgleichseffekt lässt sich dadurch erklären, dass die Ladung an den sogenannten „Peaks“ auf der Werkstückoberfläche stärker ist als auf einer ebenen Fläche, weshalb hier zuerst Ionen ausgetauscht werden. Durch die spezielle Elektrolytlösung wird in dem Elektrolyt ein halbleiterartiges Verhalten erzeugt, d. h., es werden bevorzugt exponierte Stellen am Bauteil abgetragen, während die ebenen oder, allgemeiner gesagt, die Flächen ohne „Peaks“ durch die Elektrolyteigenschaften geschützt und erst später angegriffen werden. Der Abtrag erfolgt somit konzentriert an den Peaks. Die Geschwindigkeit der Ionen selbst kann nicht nur durch die Zusammensetzung des Elektrolyts und dessen Viskosität, sondern auch durch die Temperatur des Elektrolyts oder durch eine Relativbewegung zwischen dem Elektrolyt und dem Werkstück beeinflusst werden. Der obige Ausgleichseffekt lässt sich auch noch etwas detaillierter dadurch erklären, dass die Peaks einem verstärkten elektrischen Feld ausgesetzt sind und dass im Elektrolyt die Salze ihre elektrische Ladung an die Anode abgeben, was zur Bildung von Sauerstoff und damit wiederum zum Oxidieren der Metalloberfläche führt. Die dadurch entstehende dünne Metalloxidschicht ist eine zumindest temporäre Schutzschicht gegenüber dem Elektrolyt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das Verfahren bei einem generativen Metall-Fertigungsverfahren (additive Manufacturing) einzusetzen. Zu diesen Fertigungsverfahren gehören die 3D-Druckverfahren inklusive der ALM-, DMLS- und SLM-Verfahren. Hierbei ist die Idee, Nachteile des additiven Manufacturing-Produkts zu Vorteilen für das Polieren zu machen. Um additive Manufacturing-Produkte, d.h. 3D-Druckprodukte, insbesondere in der Luftfahrtindustrie wirtschaftlich zu machen, müsste der Herstellungsprozess, d.h. der Druckprozess möglichst schnell vonstatten gehen, d. h. sogenannte große Korngrößen erzeugt werden (z. B. beim Lasersintern). Diese großen Korngrößen sorgen jedoch für inakzeptable Oberflächenbeschaffenheiten und können als Peaks angesehen werden. Die Körner werden durch das erfindungsgemäße Verfahren extrem gut an der Oberfläche glatt poliert. Dabei spielt der bei der Erfindung eingesetzte Elektrolyt seine Vorteile aus, indem er die vorspringenden Abschnitte der Körner bevorzugt abträgt.
Gemäß der Erfindung ist der eingesetzte Alkohol vorzugsweise ein mehrwertiger Alkohol.
Als Salz kann beispielsweise Ammoniumsalz oder Alkalisalz (hier z. B. Alkalisulfamat oder Natriumsulfamat) verwendet werden. Der Salzanteil beträgt beispielsweise mindestens 50 g/l des Elektrolyts, insbesondere mehr als 150 g/l und weniger als 400 g/l.
Als Alkohol können z. B. Glykol oder Glycerin eingesetzt werden.
Die Temperatur des Elektrolyts während der Bearbeitung sollte vorzugsweise im Bereich von 0 °C und 30 °C, insbesondere im Bereich von 5 °C bis 20 °C, vorzugsweise 7°C bis 15°C, liegen.
Der pH-Wert des Elektrolyts sollte entweder maximal 6,8 betragen, insbesondere zwischen 5,0 und 6,8 liegen, oder zwischen 9 und 12.
Wie sich herausgestellt hat, sollte der Elektrolyt einen sogenannten Leitwert von 10 bis 40 mS bei 20 °C haben.
Die Relativbewegung zwischen Elektrolyt und Werkstück kann durch Bewegen des Werkstücks im Elektrolyt erfolgen oder durch Bewegen des Elektrolyts, d. h. Pumpen des Elektrolyts unter Erzeugen einer Strömung längs der Oberfläche des Werkstücks. Natürlich können auch Elektrolyt und Werkstück in Bewegung versetzt werden.
Um eine gleichmäßige Bewegung des Elektrolyten auf der Werkstückoberfläche zu erreichen, wird das Werkstück vorzugsweise längs einer Führung verfahren.
Das Werkstück besteht insbesondere aus metallischen Werkstoffen, z.B. Nickel- oder Chromlegierungen oder Leichtmetallen wie Aluminium. Diese Metalle haben sich als bevorzugte Metalle für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und die erfindungsgemäße Vorrichtung herausgestellt.
Die Kathode, die die Anode nicht berühren darf, sollte über eine elektrische Leitung, insbesondere über ein flexibles Kabel, mit einem negativen Pol einer Stromquelle verbunden werden und in die Ausnehmung im Werkstück eingeschoben werden, um die Innenseite der Ausnehmung zu bearbeiten. Die Kathode ist keine sogenannte falsche Kathode, die in der Nähe einer anderen, an die Stromquelle angeschlossenen Kathode sitzt und nur über den Elektrolyt mit dieser gekoppelt ist, sondern eine unmittelbar mit der Stromquelle verbundene Kathode. Über diese lässt sich der Abtrag an einer größeren Fläche der Kathode realisieren und nicht nur beispielsweise an einer Spitze der Kathode.
Die Kathode kann insbesondere flexibel ausgebildet sein und eine seitliche Biegung zulassen, um nichtlineare Ausnehmungen polieren zu können, sodass die Kathode dem Verlauf der Ausnehmung folgen kann.
Von der Kathode kann zumindest ein elektrisch isolierender Abstandshalter seitlich abstehen, der mit der Kathode gekoppelt ist. Über diesen Abstandshalter wird ein Kontakt mit dem Werkstück vermieden. Insbesondere kann der Abstandshalter auch als Führung dienen. Das bedeutet, die Erfindung sieht vor, dass der Abstandshalter das Werkstück kontaktiert. Nicht elektrisch isolierte Abschnitte der Kathode sorgen dann für den Abtrag. Gerade wenn die Kathode flexibel ist und beispielsweise in eine gekrümmt verlaufende, tiefe Öffnung in einem durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellten Werkstück (z.B. 3D-Druckteil) eingeführt wird, kann eine oder können mehrere Abstandshalter trotz der Biegung dafür sorgen, dass die Kathode dem Biegungsverlauf folgt, sich biegt und dennoch kein Kontakt mit der Innenseite der Ausnehmung erfolgt.
Eine besonders vorteilhafte Variante der verwendeten Kathode sieht vor, diese samt ihrer Abstandshalter als eine Art Rundbürste auszuführen. Die isolierenden Abstandshalter sind abstehende Filamente. Die Kathode kann dabei aus einem oder mehreren verdrillten Drähten gebildet werden, die zwischen sich die Filamente klemmen.
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Kathode ein langgestreckter, insbesondere drehender Körper mit einer auf seiner Außenseite wendelförmigen, elektrolyttransportierenden Nut ist. Eine solche Kathode hat beispielsweise eine Art Bohrerform, wobei die Spannut zum Transport des Elektrolyts dient. Die Nut geht bis zu einem Kern, der durch den Elektrolyt gebildet wird. Die seitlichen Begrenzungen der Nut können beispielsweise komplett von der Isolierung definiert werden. Eine solche Gestaltung hat mehrere Vorteile. Durch Drehen der Kathode liegen die am Nutgrund liegenden Abschnitte der Kathode permanent anderen Abschnitten der Innenwand des Werkstücks gegenüber, um diese gleichmäßig abzutragen. Damit kann ein besonders gleichmäßiges Polieren erfolgen. Ferner kann eine Strömung durch die Nut geleitet werden, oder durch Drehen der Kathode wird wie bei einer Schraubenpumpe Elektrolyt transportiert.
Bei Sacklöchern wäre es denkbar, z. B. im Zentrum dieses Kathodenwerkzeugs eine Zulauf- oder besser eine Ablaufbohrung vorzusehen, sodass über die wendelförmige Nut ein Zulauf von Elektrolyt erfolgt und über die zentrale Öffnung ein Ablauf.
Gerade wenn Abstandshalter die Innenseite der Ausnehmung temporär verdecken, ist es vorteilhaft, die Kathode relativ zum Werkstück nach einem ersten Polierschritt zu bewegen, insbesondere axial und/oder in Umfangsrichtung, um einen vorhergehenden Abstützbereich, an dem zuvor der Abstandshalter dem Werkstück gegenüberlag (mit oder ohne Anlage), freizulegen, damit dann in diesem Bereich ein nachfolgender Polierschritt erfolgen kann, der zum Polieren des zuvor als Abstützbereich dienenden Abschnitts der Innenseite der Ausnehmung durchgeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Außenseite des Werkstücks sogar gleichzeitig mit der Innenseite durch Anlegen der elektrischen Spannung poliert wird. Dies reduziert die Bearbeitungszeit erheblich.
Wie bereits zuvor angedeutet, kann zum Erreichen der Relativbewegung zwischen Elektrolyt und Werkstück Elektrolyt gepumpt werden und am Werkstück vorbeiströmen und/oder das Werkstück wird in dem den Elektrolyt aufnehmenden Behälter bewegt, insbesondere entlang einer zuvor schon erwähnten Linearführung. Die zumindest eine Kathode kann eine dem Werkstück gegenüberliegende Fläche haben, die profiliert ist, d. h. weder eben noch kreiszylindrisch ist. Diese Profilierung kann den Abtragvorgang verbessern, insbesondere wenn die Profilierung ähnlich zur späteren Form der Oberfläche des Werkstücks ist.
In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn die Kathode eine dem Werkstück zugewandten Seite hat, die vor der Bearbeitung des Werkstücks einen konstanten Spalt zur ihr zugewandten Seite des Werkstücks besitzt. Dabei kann entweder der konstante Spalt vor der Bearbeitung des Werkstücks vorhanden sein oder der Bezug für die Bestimmung des Spalts und der Seite der Kathode ist das dann fertig bearbeitete Werkstück.
Zu betonen ist jedoch, dass der bislang übliche extrem gleichmäßige Spalt zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der gegenüberliegenden Fläche der Kathode bei der Erfindung nicht nötig ist. Der Spalt kann ungleichmäßig verlaufen, wodurch der Aufwand zur Herstellung der Form der Kathode reduziert wird. Ferner ist dieselbe Kathode auch für ähnliche Oberflächenformen einsetzbar. Aufgrund der Prozesseigenschaften spielt eine eventuelle rauhe Oberfläche der Kathode für die zu erzielende Oberflächengüte des Werkstücks keine Rolle.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit dem generativen Fertigungsverfahren, also dem 3D-Drucken, des Werkstücks zeitgleich oder zeitversetzt auch die Kathode und/oder eine Stützstruktur, die eine Kontaktstelle für die Anode bildet, mit hergestellt bzw. mitgedruckt wird. Damit lässt sich ohne besonderen Mehraufwand eine formgenaue Kathode nahe an die zu bearbeitenden Flächen positionieren. Die Stützstruktur sorgt dafür, dass sich nach der elektrolytischen Bearbeitung keine Flecken auf der Werkstückoberfläche ergeben, die beim Anlegen der Anode bisher entstehen konnten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf der Stützstruktur mehrere Werkstücke sitzen, die dann nacheinander oder gleichzeitig Elektrolyttisch bearbeitet werden. Damit ergibt sich eine höhere Stabilität für die zu bearbeitenden Werkstücke während der Bearbeitung, und die Kosten werden deutlich reduziert.
Die Stützstruktur wird nach dem elektrolytischen Bearbeiten der Ausnehmung, vorzugsweise nach dem Bearbeiten des gesamten Werkstücks, von dem Werkstück getrennt. Dieses Trennen kann mechanisch oder durch Erodieren erfolgen, so dass die Stützstruktur keinen Abschnitt der gewünschten Originalstruktur bildet.
Zum generativen Herstellen werden Metallkörner mit einem Durchmesser von 20 bis 60 µm verwendet, aus denen das Werkstück zusammengesetzt wird.
Generell kann das Werkstück, insbesondere können mehrere Werkstücke, bei der elektrolytischen Bearbeitung auf einer Stützplatte sitzen, an die die Anode direkt angeschlossen wird. Diese Stützplatte kann beispielsweise zuvor erwähnte Stützstruktur sein, welche zusammen mit dem Werkstück generativ hergestellt wurde.
Eine Kathode zur Außenbearbeitung des Werkstücks, d.h. zur Bearbeitung des Werkstücks außerhalb der Ausnehmung, ist beispielsweise über eine elektrisch isolierende Lagerung an der Stützplatte befestigt, insbesondere über eine Steckverbindung. Auch diese Kathode oder Kathoden können generativ gefertigt werden.
Für die Bearbeitung der Ausnehmung kann die Kathode in die Ausnehmung gesteckt und Elektrolyt in den Spalt zwischen der Kathode und der dieser gegenüberliegenden Innenseite des Werkstücks gepumpt werden. Zur Verbesserung der Bearbeitung, insbesondere zur exakt vorbestimmbaren Bearbeitung der Ausnehmung, ist beispielsweise eine Elektrolytleitung vorgesehen, die zur Ausnehmung führt und Elektrolyt in diese einleitet. Dies kann auch durch eine Kanalführung im Inneren der Kathode erfolgen.
Die Bewegung der Kathode in der Ausnehmung kann motorisch oder manuell erfolgen. Insbesondere lässt sich auch ein Hin- und Herbewegen der Kathode durch den motorischen Antrieb realisieren.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus, wie zuvor bereits ausgeführt, eine Vorrichtung zum elektrolytischen, anodischen Polieren einer Innenseite einer Ausnehmung in einem Werkstück aus Metall, insbesondere in einem dreidimensional gedruckten Werkstück. Die Vorrichtung hat einen mit einem Elektrolyt gefüllten Behälter, wobei der Elektrolyt ein Salz, Wasser und Alkohol mit einem Mindestgewichtsanteil von 20 bis 70%, vorzugsweise 40 bis 70 % enthält, eine Halterung für das Werkstück, eine relativ zur Ausnehmung bewegliche Kathode, die auf Ihrer Außenseite abschnittsweise eine elektrische Isolierung aufweist und mit einem Kabel mit einer Stromquelle verbunden ist, wobei ein Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem in der Öffnung befindlichen Elektrolyt und/oder der Kathode einerseits und dem Werkstück andererseits vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Kathode für die elektrolytische Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines generativ hergestellten Werkstücks. Die Kathode hat eine dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandte Seite und ist insbesondere dafür vorgesehen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die Kathode kann aber auch zur Außenbearbeitung des Werkstücks vorgesehen sein. Die Außengeometrie der Kathode wird zumindest im Bereich der dem Werkstück zugewandten Seite unter Verwendung eines Simulationsprogramms ermittelt. In dem Simulationsprogramm werden die bei der elektrolytischen Bearbeitung vorhandenen elektrischen und/oder magnetischen Felder zwischen der herzustellenden Kathode und dem Werkstück bestimmt. Die Außengeometrie der Kathode an der zuvor erwähnten Seite wird unter Berücksichtigung einer konstanten Stromdichte zwischen der Seite und der Kathode ermittelt. Anschließend wird die Kathode durch ein generativ ist Fertigungsverfahren auf Basis der ermittelten Außengeometrie hergestellt. Dieses Verfahren berücksichtigt, dass beim späteren elektrolytischen Bearbeitungsprozess im Bereich der Kanten eine erhöhte Ladungsdichte vorliegt, welche über die angepasste Geometrie der Kathode kompensiert werden kann. In diesen Bereichen könnte beispielsweise ein größerer Spalt zum Werkstück vorgesehen sein.
Sämtliche zuvor bereits mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmale und Vorteile gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf ein Entgraten limitiert, sondern dient zum Polieren einer Innenseite einer Ausnehmung.
Insbesondere ist eine flexible Kathode vorgesehen, die abschnittsweise mit einer außen abstehenden elektrischen Isolierung als Abstandshalter versehen ist, insbesondere in Form von abstehenden Borsten oder eines eine wendelförmige Nut aufweisenden Mantels, der einen die Kathode bildenden Kern umgibt.
Zusätzlich zu der in die Ausnehmung eingeführten Kathode kann zumindest eine außen liegende Kathode zum Polieren der Außenfläche des Werkstücks vorhanden sein, die an dieselbe Stromquelle wie die innen liegende Kathode angeschlossen ist und gleichzeitig die Außenfläche poliert.
Das verwendete Elektrolyt ist das zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Elektrolyt.
Bei zahlreichen Versuchen zum Polieren von Ausnehmungen von durch generative Fertigungsverfahren erzeugten Produkten, also z.B. 3D-Druckprodukten, hat sich herausgestellt, dass sich die Oberflächenrauigkeit von RZ 60 auf RZ 3–4 durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessern ließen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht darüber hinaus vor, dass es bei durch generative Fertigungsverfahren erzeugten Produkten, also z.B. 3D-Druckprodukten eingesetzt wird, bei denen Stützstrukturen beispielsweise für innen liegende Abschnitte miterzeugt bzw. mitgedruckt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung entfernen solche Stützstrukturen, was mit mechanischem Werkzeug ansonsten unmöglich wäre, da die Zugänglichkeit nicht gegeben ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren verwenden insbesondere Arbeitsbereiche für den angelegten Strom im Bereich von 10 V bis 40 V, idealerweise 15 V bis 30 V, und 0,0003 A/mm² bis 0,01 A/mm^2, vorzugsweise 0,003 A/mm² bis 0,01 A/mm².
Die Spaltgrößen liegen im Bereich von 1,0 mm bis 100 mm.
Insbesondere wird ein Pulsverfahren angewandt, das vor örtlicher Überhitzung, Lochfraß, ungleichmäßiger Metallauflösung, Rußniederschlag und Flusslinien dient. Das optimale Puls-/Pause-Verhältnis beträgt 4:1 bis 1:4, vorzugsweise 2:1, und hängt insbesondere vom Material des Werkstücks und dem Elektrolyt ab.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Halogenanteil im Elektrolyt dessen Eigenschaften verbessert. Die Gesamtmenge des Halogens wird im Bereich von über 0 g bis 100 g pro Liter Elektrolyt liegen.
Es kann ein Wechselhalter für die Fixierung der Kathode vorgesehen sein, der mit einem Strom- und/oder Elektrolytanschluss und/oder einem Antrieb zum Bewegen der Kathode ausgestattet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße, schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Kathode, und
5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist eine Vorrichtung zum elektrolytischen, anodischen Polieren dargestellt, welche einen Behälter 10 aufweist, der mit einem Elektrolyt 12 gefüllt ist. Ein Werkstück 14 ist über eine Halterung 16 komplett im Elektrolyt 12 eingetaucht und ist längs einer Linearführung 18 über einen Motor 20 hin- und her verfahrbar. Das Werkstück hat eine Ausnehmung, hier in Form eines bogenförmig gekrümmten Lochs. Die Ausnehmung ist durch eine Innenseite 22 definiert.
Das Werkstück 14 wird über ein Kabel 24 mit einer Stromquelle 26 verbunden und wirkt als Anode. Eine oder mehrere Kathoden 28, 30 sind mit Kabel 32 ebenfalls mit der Stromquelle 26 verbunden. Die Kathoden 28 sind dabei zur Bearbeitung der Außenfläche des Werkstücks vorgesehen und im vorliegenden Fall plattenförmig oder profiliert (siehe vertikale Kathode 30). Die Form der Kathoden 28 muss nicht der gewünschten oder vorhandenen Außenform des Werkstücks 14 im Bereich, in dem die Kathoden 28 dem Werkstück 14 gegenüberliegen, entsprechen.
Die Kathode 30 ist flexibel und ist in der nichtausgelenkten Stellung vorzugsweise linear (siehe 2 bis 4). Beim Einschieben in eine nichtlinear verlaufende Ausnehmung jedoch kann sie sich dieser anpassen.
Um einen Kontakt der Kathode 30 mit der Innenseite 22 der Ausnehmung zu verhindern, sind mehrere elektrisch isolierende Abstandshalter 34 an der Kathode 30 befestigt. Bei der Ausführungsform nach 2 sind diese Abstandshalter 34 Filamente, die wie bei einer Rundbürste an der drahtartigen Kathode 30 durch Klemmen befestigt sind.
Bei der Ausführungsform nach 3 sind beispielsweise blockartige oder zylindrische Abstandshalter 34 auf die flexible Kathode 30 aufgesteckt, aufgespritzt, aufgeklebt oder in sonstiger Weise daran befestigt.
Die Kathode 30 gemäß 4 ist ebenfalls seitlich biegsam und mit Anstandshaltern 34 in Form einer Isolierung beschichtet, sodass sich eine Art Bohrergestalt ergibt. Die Isolierung hat eine Wendelform, sodass sich zwischen den Gängen eine wendelförmige, Elektrolyt führende Nut 36 ergibt, in deren Nutgrund die Kathode 30 freiliegt.
Der Elektrolyt enthält pro Liter Elektrolyt 50 g bis 400 g Salz (vorzugsweise 150 g bis 400 g), insbesondere ein Alkalisalz, Alkohol, insbesondere mehrwertigen Alkohol wie Glykol oder Glycerin, mit einem maximalen Gewichtsanteil von 20 bis 70 % pro Liter Elektrolyt, sowie Wasser als Rest. Zusätzlich können noch Halogene enthalten sein, insbesondere mit einem Anteil von bis 100 g pro Liter Elektrolyt.
Der pH-Wert des Elektrolyts beträgt entweder maximal 6,8 oder er liegt im Bereich von 9 und 12.
Der Elektrolyt wird für die Bearbeitung üblicherweise auf eine Temperatur von maximal 30°C gebracht, insbesondere 15 °C.
Das Werkstück ist bevorzugt ein dreidimensional gedrucktes Werkstück aus Metall mit Metallkörnern, die beispielsweise durch Lasersintern miteinander verbunden werden und einen Durchmesser von 20 bis 60 µm besitzen. Das bedeutet, das Werkstück ist auf seinen Außenflächen sowie auf der Innenseite 22, etwas übertrieben ausgedrückt, wie ein ungeschnittener Styroporkörper ausgeführt, der aus zahlreichen Kügelchen besteht.
Zum Polieren der Außenflächen und der Innenseite 22 wird das Werkstück durch den motorischen Antrieb 20 durch den Elektrolyt 12 hin- und hergezogen. Die Kathoden 28 werden dabei mitbewegt, denn sie sind über gestrichelt dargestellte Kopplungselemente mit der Halterung 16 verbunden.
Die Kathode 30 wird vorab in die Ausnehmung gesteckt. Die Abstandshalter 34 erlaubt es, dass Elektrolyt 12 an ihr vorbei bis zum werkstückseitigen Ende der Ausnehmung strömen kann. Dazu sind beispielsweise bei den Abstandshaltern 34 gemäß 3 Axialnuten an den Außenmantelflächen der Abstandshalter 34 vorgesehen.
Es wird ein Strom beispielsweise ein pulsierender Strom angelegt bei einer Spannung von 10 V bis 40 V und einer Stromstärke zwischen 0,0003 A/mm² und 0,01 A/mm². Die Einwirkzeit des Stroms beträgt abhängig vom Werkstoff des Werkstücks und dessen Anfangsrauhigkeit 30 s bis 1200 sec.
Da der Elektrolyt 12 im Bereich der Ausnehmung zwischen dieser und den Abstandshaltern 34, gerade was 3 anbelangt, nicht optimal wirkt, wird die Kathode 30 zuerst in eine gewisse Stellung gebracht und nach einer gewissen Einwirkzeit axial leicht versetzt. Nachdem das Polieren zuvor während eines ersten Polierschritts zwischen den Abstandshaltern 34 erfolgt ist, werden diese Abstandshalter 34 dann nach dem Verstellen in die zuvor polierten Bereiche versetzt, sodass die vorhergehenden Abstützbereiche poliert werden.
Zum gleichmäßigen Polieren kann es sinnvoll sein, die Abstände zwischen benachbarten Abstandshaltern 34 entsprechend der Länge der Abstandshalter auszuführen, sodass die Kathode zwischen den Polierschritten um die Länge eines Abstandshalters 34 versetzt wird.
Die Bewegung der Kathode 30 kann manuell erfolgen, was allerdings vor allem dann der Fall ist, wenn das Werkstück 14 nicht im Elektrolyt 12 motorisch bewegt wird, sondern stationär ist. Alternativ hierzu kann eine motorische Bewegung der Kathode 30 sinnvoll sein.
Schematisch ist hierzu in 1 ein Wechselhalter 38 für die Fixierung der Kathode 30 vorgesehen, der mit einem Strom- und/oder Elektrolytanschluss versehen ist. Ein Schnellwechselsystem im Wechselhalter 38 erlaubt das schnelle Einsetzen von neuen oder anderen Kathoden 30. Ferner kann der Wechselhalter 38 einen Antrieb 39 zum Bewegen der Kathode 30 aufweisen. Der Wechselhalter 38 ist beispielsweise an der Halterung 16 angebracht und verfährt die Kathode 30 schrittweise oder langsam kontinuierlich in der Ausnehmung.
Bei der Kathode 30 nach 4 wird diese in Drehung versetzt, sodass auch hier die Bearbeitung der kompletten Innenseite erfolgen kann und der Abstandshalter 34 nur temporär Abstützbereiche an der Innenseite 22 abschirmt. Für die optimale Bearbeitung kann es sinnvoll sein, zusätzlich oder alternativ zum Bewegen des Werkstücks 14 den Elektrolyt selbst in Bewegung zu versetzen, beispielsweise über eine Umwälzpumpe 40, die auf einer Seite des Behälters 10 einen Einlass und auf der entgegengesetzten Seite einen Auslass hat, sodass eine gleichmäßige Strömung im Behälter 10 erreicht wird.
Auch in der Ausnehmung sollte eine Elektrolytströmung erfolgen. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass einerseits die Kathode 30 hin- und her bewegt wird oder in Drehung versetzt wird (siehe 4) oder dass eine separate Pumpe für Elektrolyt am Eingang der Ausnehmung sitzt. Die Zufuhr oder das Führen von Elektrolyt in der Ausnehmung kann auch durch eine hohle Kathode 30 erfolgen.
Bei 3D-Produkten werden bei den oben genannten Korndurchmessern Rauigkeiten von etwa RZ 60 erreicht, die durch das Polieren auf Oberflächengüten von RZ 3 bis 4 gebracht werden.
Die Vorrichtung und das Verfahren werden insbesondere für 3D-gedruckte Teile für Flugzeuge eingesetzt, beispielsweise Triebwerksteile, mit beim Drucken eingebrachten Kühlkanälen. Auch ist es möglich, Stützflächen oder Stützrippen, die beim 3D-Druck hergestellt wurden, durch die vorgenannte Bearbeitung abzutragen oder gezielt Öffnungen in normalerweise unzugänglichen, inneren Rippen einzubringen, sodass sich hier Strömungskanäle ausbilden.
Die Kathode 30 kann aber auch beim 3D-Druck mit gedruckt werden, so dass sie z.B. nur über abzutragende, dünne Stützwände mit der Innenseite 22 verbunden und danach frei liegt und nur noch mit dem Kabel 2 gekoppelt werden muss. Ferner ist es denkbar, dass die Stützwände aus isolierendem Material sind und deshalb beim Polieren bestehen bleiben.
Die Kathode 28 kann ebenfalls durch ein generatives Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Kathode 28 mit dem Werkstück 14 gemeinsam herzustellen.
Bei Werkstücken mit Kanten ist bei der elektrolytischen Bearbeitung eine erhöhte Ladungsdichte im Bereich der Kanten vorhanden. Die Kathode 28 lässt sich für jede anzustrebende Außengeometrie des Werkstücks maßschneidern. Hierzu wird eine 2D- oder 3D-Simulationsprogramm verwendet, bei dem die elektrolytische Bearbeitung mit berücksichtigt wird, d.h. es werden später auftretende elektrische und/oder magnetische Felder bei der späteren Bearbeitung des Werkstücks simuliert. Als Voraussetzung wird ferner eine konstante Stromdichte zwischen den einander zugewandten Seiten der Kathode und des Werkstücks im Simulationsprogramm vorgegeben. Wenn dann die dem Werkstück zugewandte Seite der Kathode bestimmt ist, kann die Kathode durch ein generatives Fertigungsverfahren auf Basis der im Simulationsprogramm ermittelten Außengeometrie hergestellt werden. Eine so hergestellte Kathode wird insbesondere für das zuvor und anschließend erläuterte Verfahren verwendet.
Problematisch bei elektrolytischen Bearbeitungsverfahren kann der Anschluss der Anode, genauer gesagt des Anodenkontakts, am Werkstück sein. Hier können sich schwarze Flecken nach der Bearbeitung abzeichnen. Um dies zu vermeiden und darüber hinaus auch eine effektive Bearbeitung des Werkstücks zu realisieren, kann ein Anodenkontakt mit dem Werkstück gemeinsam durch ein generatives Fertigungsverfahren, beispielsweise Lasersintern, hergestellt werden. Die Anode wird in diesem Fall an eine sogenannte Stützstruktur, beispielsweise eine Stützplatte angeschlossen, die dann mit der Stromquelle verbunden wird. Schwarze Flecken auf dieser Stützstruktur sind nicht nachteilig, denn die Stützstruktur wird nach dem Bearbeiten des Werkstücks entfernt, insbesondere durch Erodieren.
Ferner lassen sich mehrere Werkstücke auf derselben Stützstruktur herstellen und anschließend elektrolytisch gleichzeitig bearbeiten.
5 zeigt eine Stützplatte 50, die zusammen mit dem Werkstück 14 gedruckt oder, allgemeiner gesagt, generativ hergestellt wurde. Obwohl die Stützplatte 50 das Werkstück 40 einteilig sind, ist zur besseren Unterscheidbarkeit der beiden Abschnitte nur die Stützplatte 50 schraffiert dargestellt, wogegen das Werkstück 14 als Block gezeichnet ist. In Wirklichkeit gehen die beiden Abschnitte einstückig ineinander über.
Die Stützplatte 50 muss jedoch nicht zwingend als Platte ausgeführt sein, sie kann ganz allgemein beliebige Formen haben und eine Stützstruktur bilden, welche nicht zur Originalkontur des Werkstücks 14 gehört.
Nur beispielhaft ist hier ein singuläres Werkstück 14 an der Stützplatte dargestellt. Vorzugsweise sind mehrere Werkstücke 14 auf derselben Stützplatte 15.
Die Unterseite der Stützplatte 50 liegt vollflächig auf einer werkzeugseitigen, mehrteiligen Halterung auf. Die Halterung umfasst eine elektrisch isolierende Grundplatte 52, in der elektrische, federnd angestellte Kontaktpins 54 geführt sind. Die Kontaktpins 54 sind mit der Stromquelle 20 über Leitungen verbunden. Eine Lagerplatte 56 unterhalb der Grundplatte 52 bildet mit dieser zusammen die Halterung.
In 5 sind mehrere Kathoden 28 zur Außenbearbeitung dargestellt. Diese Kathoden 28 werden gleichzeitig oder separat vom Werkstück 14 generativ erzeugt, insbesondere um einen gleichmäßigen Spalt 58 oder vorgegebenen Spalt 58 zwischen ihrer dem Werkstück 14 zugewandten Seite 60 und dem Werkstück 14 sicherzustellen.
Die Kathoden 28 können über elektrisch isolierende Lagerungen 62 in in der Stützplatte 50 erzeugten Öffnungen gelagert werden, sodass sich lösbare Steckverbindungen ergeben.
In 5 sind auch die zu bearbeitende Ausnehmung im Werkstück 14 und die darin eingefahrene Kathode 32 zu sehen. Die Kathode 32 ist in einer elektrisch isolierenden Kathodenaufnahme 64 gelagert, die wiederum an der Halterung 16 angebracht ist.
Elektrolyt aus einem zweiten Behälter 66 wird über eine Pumpe 68 einerseits über eine Leitung 70 in den Behälter 10 direkt eingepumpt und darüber hinaus über eine Leitung 72, einen Anschluss 74 und einen Kanal im Inneren der Kathode 32 in die Ausnehmung direkt eingepumpt. Dadurch ergibt sich eine separate Elektrolytleitung in die Ausnehmung.

Claims

Verfahren zum elektrolytischen Polieren einer Innenseite (22) einer Ausnehmung in einem Werkstück (14) aus Metall, insbesondere in einem durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellten, metallischen Werkstück (14), gekennzeichnet durch folgende Schritte: A) Eintauchen des Werkstücks (14) in ein Elektrolyt (12), das ein Salz, Wasser und Alkohol mit einem Mindestgewichtsanteil von 20–70 % pro Liter Elektrolyt enthält, B) Anschließen des Werkstücks (14) an einen positiven Pol, sodass das Werkstück (14) eine Anode bildet, C) Vorsehen zumindest einer Kathode (30) im Elektrolyt (12) und der Ausnehmung, D) Vorsehen einer Relativbewegung zwischen Elektrolyt (12) und Werkstück (14), und E) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Anode und der zumindest einen Kathode (30).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14) aus einer Nickel- oder Chromlegierung oder aus Leichtmetall besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode (28, 30) über eine elektrische Leitung mit einem negativen Pol einer Stromquelle (26) verbunden wird und in die Ausnehmung im Werkstück (14) eingeschoben wird, um die Innenseite (22) der Ausnehmung zu bearbeiten.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (30) flexibel ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kathode (30) zumindest ein elektrisch isolierender Abstandshalter (34) seitlich absteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere axial voneinander beabstandete Abstandshalter (34) an der Kathode (30) vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (30) samt Abstandshalter (34) als Rundbürste ausgebildet ist und die isolierenden Abstandshalter (34) abstehende Filamente sind oder dass die Kathode (30) ein langgestreckter, insbesondere sich drehender Körper mit einer auf seiner Außenseite wendelförmigen, Elektrolyt (12) transportierenden Nut (36) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem ersten Polierschritt die Kathode relativ zum Werkstück (14) bewegt wird, um einen Abstützbereich, an dem zuvor der Abstandshalter (34) dem Werkstück (14) gegenüberlag, freizulegen, und Durchführen eines 2. Polierschritts zum Polieren des Abstützbereichs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Werkstücks (14) gleichzeitig mit der Innenseite (22) durch Anlegen der elektrischen Spannung poliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der Relativbewegung zwischen Elektrolyt (12) und Werkstück (14) den Elektrolyt (12) gepumpt wird und am Werkstück (14) vorbeiströmt und/oder dass das Werkstück (14) in dem den Elektrolyt (12) aufnehmenden Behälter (10) bewegt wird, insbesondere entlang einer Linearführung (18).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kathode (28) eine dem Werkstück (14) gegenüberliegende Fläche hat, die profiliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14), insbesondere zusätzlich die zumindest eine Kathode (28) und/oder eine Stützstruktur, die die Kontaktstelle für eine Anode bildet, durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere Lasersintern, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (14) verwendet wird, an dem durch das generative Fertigungsverfahren die Kathode (28) und/oder eine Stützstruktur, die eine Kontaktstelle für eine Anode bildet, mitgedruckt ist, insbesondere wobei die Stützstruktur nach dem elektrolytischen Bearbeiten der Ausnehmung von dem Werkstück (14) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Drucken Metallkörner mit einem Durchmesser von 20 bis 60 µm verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14) bei der elektrolytischen Bearbeitung auf einer Stützplatte (50) sitzt, die eine Kontaktstelle für die Anode bildet, insbesondere nach einem der Ansprüche 12–14, wobei die Stützstruktur als Stützplatte (50) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode zur Außenbearbeitung des Werkstücks (14) über eine elektrisch isolierende Lagerung (62) an der Stützplatte (50) befestigt ist, insbesondere über eine Steckverbindung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (12) während des Bearbeitens eine Maximaltemperatur von 20°, insbesondere von 15 °C besitzt und/oder einen pH-Wert bis 6,8 oder zwischen 9 und 12.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (30) in die Ausnehmung gesteckt und Elektrolyt (12) in den Spalt zwischen Kathode (30) und der dieser gegenüberliegenden Innenseite (22) des Werkstücks (14) gepumpt wird, insbesondere über eine mit der Ausnehmung verbundene, separate Elektrolytleitung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (30) mittels eines motorischen Antriebs (20) oder manuell relativ zur Ausnehmung tiefer und weniger tief in diese eingefahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (30) eine dem Werkstück (14) zugewandte Seite (60) hat, die vor der Bearbeitung des Werkstücks (14) einen konstanten Spalt (58) zur ihr zugewandten Seite des Werkstücks (14) hat, insbesondere wobei die Seite der Kathode (30) ein Negativ zur der nach der Bearbeitung des Werkstücks (14) hergestellten, der Kathode (30) zugewandten Seite bildet.
Verfahren zum Herstellen einer Kathode (30) für die elektrolytische Bearbeitung eines Werkstücks (14), wobei die Kathode (30) eine dem zu bearbeitenden Werkstück (14) zugewandte Seite hat, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermitteln der Außengeometrie der Kathode (28) zumindest im Bereich der dem Werkstück (14) zugewandten Seite (60), wobei die bei der elektrolytischen Bearbeitung vorhandenen elektrischen und/oder magnetischen Felder zwischen der Kathode und dem Werkstück (14) bestimmt und die Außengeometrie der Kathode unter Berücksichtigung einer konstanten Stromdichte auf derjenigen Seite des Werkstücks (14), der Kathode (28) zugewandt ist, bestimmt wird, und b) Erzeugen der Kathode (28) durch ein generatives Fertigungsverfahren auf Basis der ermittelten Außengeometrie.
Vorrichtung zum elektrolytischen, anodischen Polieren einer Innenseite (22) einer Ausnehmung in einem Werkstück (14) aus Metall, insbesondere in einem dreidimensional gedruckten Werkstück (14), mit einem mit einem Elektrolyt (12) gefüllten Behälter (10), wobei der Elektrolyt (12) ein Salz, Alkohol mit einem Mindestgewichtsanteil von 20 bis 70 % und Wasser enthält, einer Halterung (16) für das Werkstück (14), einer relativ zur Ausnehmung beweglichen Kathode, die auf Ihrer Außenseite abschnittsweise eine elektrische Isolierung aufweist und mit einem Kabel (32) mit einer Stromquelle (26) verbunden ist, wobei ein Antrieb (20) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem in der Ausnehmung befindlichen Elektrolyt (12) und/oder der Kathode (30) einerseits und dem Werkstück (14) andererseits vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitlich flexible Kathode (30) vorgesehen ist, die abschnittsweise mit einer außen abstehenden, einen Abstandshalter (34) bildenden elektrischen Isolierung versehen ist, insbesondere in Form von abstehenden Borsten oder eines eine wendelförmige Nut (36) bildenden Mantels, der einen die Kathode (30) bildenden Kern umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der in die Ausnehmung eingeführten Kathode (30) zumindest eine außenliegende Kathode (28) zum Polieren der Außenfläche des Werkstücks (14) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselhalter (38) für die Fixierung der Kathode (30) vorgesehen ist, der mit einem Strom- und/oder Elektrolytanschluss und/oder einem Antrieb (39) zum Bewegen der Kathode (30) ausgestattet ist.