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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elektrochemisches Abtragen.
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Stand der Technik
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Beim elektrochemischen Abtragen wird zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ein Arbeitsspalt eingestellt, wobei das Werkstück dann typischerweise als Anode und das Werkzeug als Kathode polarisiert wird. Aufgrund der insofern berührungslosen Bearbeitung lassen sich auch vergleichsweise harte Werkstoffe materialabtragend bearbeiten, weswegen das Verfahren vorteilhaft bei der Herstellung von Bauteilen für axiale Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke genutzt werden kann. Vor diesem Hintergrund können sich auch besondere Anforderungen an die Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Werkstückbearbeitung ergeben. Dies soll ein bevorzugtes Anwendungsumfeld illustrieren, den vorliegenden Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elektrochemisches Abtragen anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Dabei wird eine Elektrolytflüssigkeit, in der im Arbeitsspalt zwischen Werkzeug und Werkstück der Ladungstransport erfolgt, einem Membranfiltersystem zugeführt, also über eine Membran gefiltert und anschließend wieder zum elektrochemischen Abtragen genutzt. Die Elektrolytflüssigkeit wird über das Membranfiltersystem in einem Kreislauf gefahren. In dem Membranfiltersystem wird dessen Membran dabei von der Elektrolytflüssigkeit tangential überströmt, was vorliegend durch eine Relativbewegung der Membran erreicht wird, bspw. relativ zu einer Wandung, die eine Kavität begrenzt, in welche die zu filternde Elektrolytflüssigkeit der Membran vorgelagert eingebracht wird. Vorzugsweise erfolgt die Relativbewegung durch eine Rotationsbewegung der Membran (siehe unten im Detail). Unabhängig von der Art der Bewegung im Einzelnen kann aufgrund der Relativbewegung bspw. ein vergleichsweise hoher Permeatfluss, also Fluss der gefilterten Elektrolytflüssigkeit erreicht werden, sodass in dem Kreislauf insgesamt weniger Elektrolytflüssigkeit erforderlich ist.
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Im Vergleich zu einer Ultrafiltration (Dead-End- oder Cross-Flow-Betrieb) können bspw. höhere Trockensubstanzgehalte erreicht werden, zudem kann der Rückspülaufwand geringer sein (im Vergleich zu Dead-Flow) bzw. der Energiebedarf reduziert sein (im Vergleich zu Cross-Flow). Im Vergleich zu einer konventionellen Ultrafiltration kann bspw. ein höherer Permeatfluss erreicht werden (pro Quadratmeter Filterfläche), die Filtrationsleistung kann bspw. um eine Größenordnung höher liegen. Das System kann bspw. auch ohne vorherige Sedimentation vorgesehen sein, also ohne dem Membranfiltersystem vorgelagerten Schrägklärer. Dies kann einen geringeren Flächen- bzw. Raumbedarf ergeben und z. B. auch gleichmäßigere Bedingungen beim elektrochemischen Abtragen an sich begünstigen. Letzteres kann speziell mit Blick auf die bevorzugte Anwendung bei der Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen von Vorteil sein (wegen der hohen erforderlichen Genauigkeiten).
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung stets sowohl auf Verfahrens- als auch auf entsprechende Verwendungs- bzw. Vorrichtungsaspekte zu lesen. Sie richtet sich zum einen auf das Bearbeitungsverfahren, zum anderen aber implizit immer auch auf eine entsprechende Vorrichtung mit Bearbeitungseinheit zum elektrochemischen Abtragen und Membranfiltersystem.
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Die Elektrolytflüssigkeit bzw. -lösung kann bspw. auch von dem Werkstoff des Werkstücks abhängen, exemplarisch können wässrige Lösungen von Natriumchlorid oder Natriumnitrat genannt werden. Unabhängig von der Elektrolytflüssigkeit im Einzelnen kann sich beim Abtragen im Arbeitsspalt ein Elektronenstrom einstellen, der Metallkationen aus dem metallischen Werkstück löst. Bei diesen kann es sich je nach Werkstoff bspw. um Ni2+, Fe2+, Fe3+, Cr6+ etc. handeln. Die Elektrolytflüssigkeit kann in Folge des elektrochemischen Abtragens mit umwelttechnisch kritischen Stoffen belastet sein, weswegen umgekehrt das begrenzte Prozessvolumen vorteilhaft zum Tragen kommt. Mit Blick auf Sicherheitsvorkehrungen etc. kann es von Vorteil sein, wenn ein kleineres Volumen einer potentiell kritischen Flüssigkeit gehandhabt werden muss. Generell erfolgt die Filtration bevorzugt ohne zusätzliche Chemikalien, werden bzw. müssen also bspw. keine Flockungshilfsmittel zugesetzt werden.
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Ferner kann mit der Relativbewegung auch eine vergleichsweise hohe Aufkonzentration des Retentats, also der ausgefilterten Bestandteile erreicht werden, was hinsichtlich der Entsorgung von Vorteil sein kann (siehe unten im Detail). Durch eine höhere Retentatkonzentration kann bspw. auch eine höhere Elektrolyt-Ausbeute erreicht werden, der Schlamm lässt sich z. B. auf einen definierten Feststoffgehalt vorkonditionieren. Dieser kann bspw. in einem Bereich von 10-25 Gew.-% liegen, bevorzugt 15-20 Gew.-%.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran scheibenförmig vorgesehen, also flach, insbesondere plan, und bevorzugt mit einer kreisrunden Kontur. Auch unabhängig von der Scheibenform kann die Membran bevorzugt mit zwei einander gegenüberliegenden Membranwänden einen Innenraum begrenzen. Bevorzugt wird die Elektrolytflüssigkeit dabei von außen nach innen geführt, wird also das Permeat über den Innenraum zwischen den Membranwänden abgeführt. Auch unabhängig von der Form kann die Membran bspw. aus Korund vorgesehen sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Membran auf einer Welle gelagert, auf der sie während des Filterns zur Erzeugung der Relativbewegung gedreht wird. Die Membran kann hierbei insbesondere eine Scheibenform haben, wobei eine Mittenachse der Scheibe bevorzugt mit der Drehachse der Welle zusammenfällt. Wie nachstehend im Einzelnen diskutiert, können auf der Welle auch mehrere Membranen axial versetzt angeordnet sein, insbesondere zueinander baugleiche Membranen translationssymmetrisch. Alternativ zum Drehen der Membran ließe sich die hauptanspruchsgemäße Relativbewegung im Allgemeinen bspw. auch mit einem Schieber realisieren, der in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet bei ruhender Membran entlang dieser bewegt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Membranfiltersystem eine zweite Membran auf, die mit der ersten Membran überlappend angeordnet ist. Die Membranen werden relativ zueinander bewegt, bevorzugt ist die erste Membran dazu auf der ersten Welle angeordnet (siehe vorne) und ist die zweite Membran auf einer zweiten Welle angeordnet, die im ortsfesten Koordinatensystem gesehen ebenfalls gedreht wird. Dabei liegen die Wellen bevorzugt parallel zueinander, wobei der teilweise Überlapp in axialer Richtung betrachtet vorliegt. Im ortsfesten Koordinatensystem können die Wellen und damit die Drehachsen insbesondere vertikal liegen. Unabhängig von diesen Details erfolgt die Drehung bevorzugt mit gleichem Drehsinn, werden die Wellen also mit der gleichen Drehrichtung gedreht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wellen jeweils mit mehreren Membranen ausgestattet, wobei die Membranen der Wellen axial abwechselnd ineinandergreifen. Axial nächstbenachbarte Membranen der einen Welle bilden also jeweils einen Zwischenraum, in den eine Membran der anderen Welle eingreift, und umgekehrt. Generell kann mit dem Parallelbetrieb der Durchsatz erhöht bzw. die Baugröße des Membranfiltersystems optimiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im ortsfesten Koordinatensystem betrachtet ein Zulauf des Membranfiltersystems unten und ist der Retentatablauf oben angeordnet. Über letzteren wird das ausgefilterte Retentat abgeführt, das typischerweise noch pumpbar, also nicht fest ist. Unabhängig davon kann das Permeat aus dem Innenraum der Membran bzw. den Innenräumen der Membranen bspw. über einen Kanal in der Welle abgeführt werden, wobei bei einer vertikalen Ausrichtung die Entnahme dann bevorzugt vertikal unten erfolgen kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das in dem Membranfiltersystem ausgefilterte Retentat anschließend weiter aufkonzentriert, vorzugsweise in einer Presse. Dabei kann insbesondere eine Membranfilterpresse vorgesehen sein, welcher bspw. auch eine weitere Presse in einem Vorlagebehälter vorgelagert sein kann. Durch die „Vorverdickung“ im Membranfiltersystem kann der Volumenstrom reduziert werden, können also etwa im Vergleich zu einer konventionellen Ultrafiltration weniger Pressen erforderlich sein. Das weiter aufkonzentrierte Retentat wird dann bevorzugt getrocknet, was hinsichtlich der Entsorgung von Vorteil sein kann. Es muss dann bspw. nur noch ein Feststoff mit potentiell kritischen Bestandteilen entsorgt werden (verringertes Volumen).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das durch elektrochemisches Abtragen bearbeitete Werkstück ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk. Bei dem Bauteil kann es sich bspw. um eine Laufscheibe handeln, in welche materialabtragend eine Schaufelfußaufnahme eingebracht wird; alternativ kann aber ebenso ein Schaufelfuß oder auch ein anderes, insbesondere dann im Gaskanal angeordnetes Bauteil hergestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsvorrichtung, die eine Bearbeitungseinheit, ein Membranfiltersystem und eine Zuführvorrichtung aufweist. In der Bearbeitungseinheit kann das Werkstück angeordnet und durch elektrochemisches Materialabtragen bearbeitet werden, sie kann insbesondere eine Bearbeitungskathode und ein Behältnis aufweisen, in dem das Werkstück in der Elektrolytflüssigkeit vorgehalten werden kann. Hinsichtlich möglicher Details des Membranfiltersystems wird auf die vorstehende Offenbarung verwiesen.
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Die Zuführvorrichtung befördert einerseits die Elektrolytflüssigkeit von der Bearbeitungseinheit zum Membranfiltersystem, vorzugsweise über einen Schmutztank, in dem die benutzte Elektrolytflüssigkeit vor dem Filter zwischengespeichert wird. Ferner befördert sie die gefilterte Elektrolytflüssigkeit, also das Permeat, dann wieder zum Membranfiltersystem, vorzugsweise über einen Frischtank. In Letzterem kann die gefilterte Elektrolytflüssigkeit zwischengespeichert werden, bevor sie wieder der Bearbeitungseinheit zugeführt, also zum elektrochemischen Abtragen genutzt wird.
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Zwischen dem Frischtank und der Bearbeitungseinheit kann dabei ein Sicherheitsfilter vorgesehen sein, um einen Feststoffeintrag in die Bearbeitungseinheit in jedem Fall zu vermeiden. Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner, wie vorstehend geschildert, eine Presse, insbesondere Membranfilterpresse, und einen Trockner aufweisen. Ferner kann sie eine Steuereinheit umfassen, welche bspw. die Zuführvorrichtung und das Membranfiltersystem ansteuert, bspw. kombiniert mit Füllstandsensoren an Schmutz- und/oder Frischtank.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elektrochemisches Abtragen, mit einer Bearbeitungseinheit und einem Membranfiltersystem;
- 2 einige Verfahrensschritte in einem Flussdiagramm zusammengefasst;
- 3 eine axiale Strömungsmaschine, nämlich ein Flugtriebwerk zur Illustration eines bevorzugten Anwendungsbereichs.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks 11 durch elektrochemisches Abtragen. Die Bearbeitungseinheit 12 weist eine Bearbeitungskathode 13 und ein Reservoir 14 auf, in dem das Werkstück 11 in einer Elektrolytflüssigkeit 15 vorgehalten wird. In einem Arbeitsspalt 16 zwischen dem Werkstück 11 und der Bearbeitungskathode 13 stellt sich ein Elektronenstrom ein, infolgedessen werden Metallionen aus dem Werkstück 11 gelöst. Im Zuge der materialabtragenden Bearbeitung reichern sich in der Elektrolytflüssigkeit 15 Metallkationen an.
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Mittels einer Zuführeinheit 16 wird die benutzte Elektrolytflüssigkeit 15 aus dem Reservoir 14 einem Membranfiltersystem 20 zugeführt. Dies erfolgt vorliegend über einen Schmutztank 17 und eine entsprechende Verrohrung 18. Das Membranfiltersystem 20 weist eine erste Membran 21 und eine zweite Membran 22 auf, die jeweils scheibenförmig ausgebildet und auf einer jeweiligen Welle 23, 24 drehbar gelagert sind. Auf den Wellen 23, 24 sind jeweils mehrere Membranen 25 axial aufeinanderfolgend angeordnet, diese greifen mit einem Überlapp ineinander.
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Die Elektrolytflüssigkeit 15 wird dem Membranfiltersystem 20, konkret einem Innenraum 26, in dem die Membranen 25 angeordnet sind, über einen Zulauf 27 zugeführt. Die Membranen 25 begrenzen jeweils zwischen zwei Membranwänden einen Innenraum 30, in den die gefilterte Elektrolytflüssigkeit durch die Membranwände gelangt. Von dort kann die gefilterte Elektrolytflüssigkeit über die jeweilige Welle 23, 24 als Permeat 31 abgeführt werden. Die Wellen 23, 24 und damit die Membranen 25 werden während der Filtration gedreht und damit relativ zueinander bewegt, was eine effektive tangentiale Überströmung der Membranwände mit der zu filternden Elektrolytflüssigkeit ergibt.
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Die gefilterte Elektrolytflüssigkeit, also das Permeat 31 wird über eine Verrohrung 38 zunächst in einen Frischtank 39 und dann wieder der Bearbeitungseinheit 12 zugeführt. Um einen Feststoffeintrag zu vermeiden, ist ein Sicherheitsfilter 40 vorgesehen. Oben am Membranfiltersystem 20 wird das Retentat 41 an einem Retentatablauf 47 entnommen, es wird über einen Vorlagebehälter 42 mit einer Presse 42.1 einer Membranfilterpresse 43 zugeführt. Danach gelangt es in einen Trockner 44 und kann der ausgefilterte Bestandteil als Feststoff entsorgt werden.
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In 2 sind einige Verfahrensschritte in einem Flussdiagramm 50 zusammengefasst. In der Bearbeitungseinheit wird das Werkstück durch elektrochemisches Abtragen 51 bearbeitet. Die dabei benutzte Elektrolytflüssigkeit 15 wird anschließend gefiltert 52, wobei das Permeat wieder der Bearbeitungseinheit 12 zugeführt wird 53. Das Retentat wird gepresst 54 und getrocknet 55.
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3 zeigt eine axiale Strömungsmaschine 60, konkret ein Flugtriebwerk 61. Dieses gliedert sich funktional in Verdichter 62, Brennkammer 63 und Turbine 64, wobei sowohl der Verdichter 62 als auch die Turbine 64 aus mehreren Stufen mit jeweils einem Stator und einem Rotor aufgebaut ist (nicht im Einzelnen referenziert). Im Verdichter 62 wird angesaugte Luft komprimiert, diese wird dann in der Brennkammer 63 mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas wird in der Turbine 64 expandiert, wobei die gewonnene kinetische Energie zum Antreiben des Verdichters 62 und zur Vorschuberzeugung genutzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Werkstück
- 12
- Bearbeitungseinheit
- 13
- Bearbeitungskathode
- 14
- Reservoir
- 15
- Elektrolytflüssigkeit
- 16
- Arbeitsspalt
- 16
- Zuführeinheit
- 17
- Schmutztank
- 18
- Verrohrung
- 20
- Membranfiltersystem
- 21
- erste Membran
- 22
- zweite Membran
- 23, 24
- Welle (erste, zweite)
- 25
- mehrere Membranen
- 26
- Innenraum
- 27
- Zulauf
- 30
- Innenraum
- 31
- Permeat
- 38
- Verrohrung
- 39
- Frischtank
- 40
- Sicherheitsfilter
- 41
- Retentat
- 42
- Vorlagebehälter
- 42.1
- Presse des Vorlagebehälters
- 43
- Membranfilterpresse
- 44
- Trockner
- 45
- Feststoff
- 47
- Retentatablauf
- 50
- Flussdiagramm
- 51
- Elektrochemisches Abtragen
- 52
- Filtern
- 53
- Zuführen (des Permeats der Bearbeitungseinheit)
- 54
- Pressen
- 55
- Trocknen
- 60
- axiale Strömungsmaschine
- 61
- Flugtriebwerk
- 62
- Verdichter
- 63
- Brennkammer
- 64
- Turbine
