DE102022100587A1

DE102022100587A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Elektro- und/oder Plasmapolieren von additiv gefertigten Bauteilen

Info

Publication number: DE102022100587A1
Application number: DE102022100587.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Weihe; Martin Werz; Martin Hankele
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren mindestens eines Bauteils mit metallischer Oberfläche. Sie betrifft auch die Verwendung von Vorrichtung und Verfahren zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren der Oberfläche eines oder mehrerer Bauteile mit metallischer Oberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektro- und/oder Plasmapolieren von Bauteilen mit zwei- und/oder dreidimensional gekrümmten metallischen Oberflächengeometrien.
Bei der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen entstehen meist sehr raue Oberflächen. Für viele Anwendungen muss die Oberfläche daher nachbearbeitet werden, um die Rauheit zu verringern und ggf. dadurch die Schwingfestigkeit zu erhöhen. Ein komplexer Aufbau der Bauteile resultiert meist auch in komplexen Oberflächengeometrien, welche durch eine Vielzahl von Erhöhungen und/oder Vertiefungen, bzw. unterschiedliche, dreidimensionale Strukturen gekennzeichnet sind.
Eine spanende Nachbearbeitung ist sehr aufwändig und zeit- bzw. energieintensiv, insbesondere durch die Notwendigkeit von entsprechenden Werkzeugen, wie 5-Achs-Fräsmaschinen. Auch ist die Zugänglichkeit zu kleineren Vertiefungen oder verdeckten Oberflächenanteilen durch diese Maschinen erschwert, da diese eine Mindestgröße aufweisen, die über den Dimensionen der Oberflächenstrukturen liegt. Die Effizienz und Handhabbarkeit der additiven Fertigungsprozesse wird dadurch wieder gemindert.
Elektro- und/oder Plasmapolieren ist eine sehr vielversprechende Technologie zur Behandlung rauer Oberflächen, da hier der Abtrag elektrochemisch bzw. durch ein Plasma, und nicht durch ein mechanisches Werkzeug erfolgt. Dabei wird gewöhnlich das Bauteil in einer Elektrolysezelle als Anode gepolt und in einen Elektrolyten eingebracht. Durch das Anlegen einer Spannung an einer Gegenelektrode, also einer Kathode, werden elektrochemisch Metallionen aus der Oberfläche des metallischen Bauteils herausgelöst und gehen in den Elektrolyten über. Hierdurch kommt es zu einem Oberflächenabtrag, der bevorzugt Erhebungen abträgt. Dabei wird die Oberfläche poliert.
GB 2543058 A offenbart ein Verfahren zum Glätten eines metallischen Bauteils mit einer Ausgangs-Rauigkeit von mehr als 2.0 µm durch Einbringen des Bauteils in eine elektrochemische Zelle mit Kathode, wobei das Bauteil als Anode geschalten wird. Durch Anlegen einer Spannung wird eine Plasmamembran zwischen Bauteil und Kathode generiert, welche die Rauheit reduziert.
Für eine effiziente und gleichmäßige Elektro- oder Plasmapolitur, ist es notwendig, dass sich die Gegenelektrode in einem definierten Abstand zum Bauteil befindet und keine Abschattung des elektrischen Feldes aufgrund der Bauteilgeometrie stattfindet. Nachteilig kommt es sonst in Bereichen, in denen die Kathode zu weit weg ist, zu keinem oder sehr geringem Abtrag und Oberflächenrauheit bleibt bestehen. An Stellen mit geringerem Abstand zum Bauteil, kann der Abtrag nachteilig wiederum so hoch sein, dass die Maßhaltigkeit stark herabgesetzt wird. Weiterhin kann es insbesondere für Innenkontouren der Oberfläche zur Bildung eines Faraday'schen Käfigs kommen, wodurch auch die Oberfläche dieser schwer zugänglichen Stellen nicht ausreichend poliert werden kann.
Es gibt bereits Ansätze, Bauteile mit großen und auch komplexen Oberflächen durch Elektro- oder Plasmapolitur zu glätten.
EP 0 020 956 A1 offenbart eine Vorrichtung zum zonenweisen Elektropolieren eines großflächigen Werkstückes, wobei das Werkstück als Anode gepolt wird; als Kathode dient eine Elektrode aus inertem Material, die über dem Werkstück verschiebbar angeordnet ist und die eine elektrische Abschirmung aufweist. Der Spalt zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der elektrischen Abschirmung wird mittels einer flexiblen Begrenzung geschlossen, wodurch ein gleichmäßiger Hochglanz auf der gesamten Oberfläche des Werkstückes erzielbar sein soll.
DE10 2015 201 080 A1 betrifft ein Verfahren zum elektrischen Abtragen von Material von einem Bauteil bzw. Werkstück, bei dem ein Elektrolytträger, wie Schwamm oder Bürste, mit einem Elektrolyten getränkt und anschließend auf die Oberfläche des Werkstücks aufgesetzt wird, wobei das Werkstück mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt. An den Elektrolytträger wird in Bezug auf das Werkstück ein negatives Potential angelegt. Dies bewirkt einen elektrolytischen Abtrag von Material von dem Werkstück, wobei dieses Material elektrochemisch aufgelöst wird und die Oberfläche des Werkstücks poliert wird. Dies erfolgt vorzugsweise bei metallischen Materialien.Nachteilig kann dieser Prozess nur lokal am Bauteil erfolgen.
DE 10 2011 051 660 A1 offenbart flexible Werkzeugkathoden für die elektrochemische Bearbeitung von Bauteilen, welche elastisch verformbare Kathoden enthalten, die sich in zwei oder drei Dimensionen verformen und an die Kontur des Bauteils anpassen können, während sich das Bauteil in Bezug auf die flexible Werkzeugkathoden bewegt. Das heißt, die flexible Werkzeugkathode kann einen Abfahrvorgang durchführen. Bestimmte flexible Werkzeugkathoden können auch für spezielle Konfigurationen, wie z. B. Ecken und Kanten, verwendet werden. Nachteilig erfolgt die Führung der Kathoden maschinell und es wird ein angesteuertes Handhabungssystem benötigt, bei dem die Geometrie des Bauteils und die abzufahrenden Bahnen hinterlegt sind.
Aktuelle Ansätze gehen dahin, die Gegenkathode selbst zu drucken, bzw. additiv zu fertigen, wobei die Geometrie der Kathode jeweils an die Oberflächengeometrie des zu polierenden Bauteils angepasst ist.
Dies setzt zum Teil einen erheblichen Roh- und Werkstoffeinsatz, spezielle Maschinen und nicht zuletzt auch die Kenntnis der Geometriedaten der Bauteile voraus. Darüber hinaus sind mit dieser Technologie nur verhältnismäßig grobgliedrige Bauteile ohne Hinterschneidungen mit vertretbarem Aufwand polierbar. Bei sehr feinen Oberflächenstrukturen, wie beispielsweise geringen Spalten spielen auch die Toleranzen eine erhebliche Rolle. Bleibt der Abstand zur Oberfläche nicht konstant, kommt es zu ungleichmäßigem Abtrag und Verfälschung der Geometrie.
Weiterhin nachteilig an dieser Technologie ist die fehlende Wiederverwendbarkeit der einmal gefertigten Kathode für Bauteile mit unterschiedlicher Oberflächengeometrie. Der Verbrauch an Ressourcen ist deshalb enorm.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Elektro- und/oder Plasmapolieren bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 11. Besondere Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren mindestens eines Bauteils mit metallischer Oberfläche, mindestens umfassend

- einen Behälter zur Aufnahme mindestens eines Elektrolyten,
- mindestens eine Kathode,
- mindestens eine Spannungsquelle, von der die mindestens eine Kathode und das mindestens eine Bauteil kontaktiert werden können,
- mindestens ein Mittel zur anodischen Kontaktierung des mindestens einen Bauteils, dadurch gekennzeichnet,
- dass das mindestens eine Bauteil fixiert und/oder beweglich im Behälter angeordnet ist,
- dass mindestens eine erste Kathode flexibel beweglich und/oder mehrgliedrig ausgestaltet ist,
- dass die mindestens eine erste Kathode einen Schutzmantel zur Verhinderung eines direkten Kontaktes zwischen erster Kathode und Bauteil aufweist, wobei der Schutzmantel
- ein- oder mehrschichtig aufgebaut und/oder ein- oder mehrteilig ausgebildet ist und mindestens eine Öffnung und/oder mindestens einen Zwischenraum aufweist, wobei die Öffnung und/oder der Zwischenraum derart ausgestaltet ist, dass sich ein elektrisches Feld zwischen erster Kathode und Bauteil ausbilden und ein elektrischer Strom fließen kann.

Erfindungsgemäß handelt es sich um eine Vorrichtung zum Plasma- und/oder Elektropolieren von Bauteilen mit metallischer Oberfläche. Prozesse zum Elektro- und/oder Plasmapolieren von sind dem Fachmann bekannt.
Bauteile mit metallischer Oberfläche sind alle Teile, deren Oberfläche zumindest teilweise mindestens ein Metall aufweist. Insbesondere sind die Bauteile selbst metallisch, wobei auch ihre Oberfläche zumindest teilweise metallisch ist.
Bauteile mit metallischer Oberfläche sind dem Fachmann bekannt.
In Ausführungsformen sind die Bauteile ausgewählt aus 3D gedruckten Bauteilen.
In Ausführungsformen umfasst die metallische Oberfläche mindestens ein Metall, insbesondere ausgewählt aus Aluminium, Stahl, Nickel, Magnesium und/oder Titan und/oder Mischungen dieser.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die in aus dem Stand der Technik bekannten Komponenten

- einen Behälter (4) zur Aufnahme mindestens eines Elektrolyten (2),
- mindestens eine erste Kathode (8),
- mindestens eine Spannungsquelle (1), durch die die mindestens eine erste Kathode und das mindestens eine Bauteil (3) kontaktiert werden können,
- mindestens ein Mittel zur anodischen Kontaktierung des mindestens einen Bauteils auf.

Diese Komponenten sind dem Fachmann bekannt. Sie können jeweils in verschiedenen Ausgestaltungen vorliegen.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine erste Kathode flexibel beweglich und/oder mehrgliedrig ausgestaltet.
In Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Kathode ein leitfähiges Material.
Flexibel beweglich im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Kathode, bevorzugt unter Einwirkung mechanischer Kräfte, wie beispielsweise Strömungen in Flüssigkeiten, und/oder elektrischer Kräfte, wie beispielsweise Kräfte in einem elektrischen Feld und insbesondere aufgrund von Kontaktkräften auf ihren Schutzmantel, ihre Form mindestens in einer, bevorzugt in zwei oder drei Dimensionen des Raumes ändern kann.
In Ausführungsformen ist die flexibel bewegliche Kathode ausgewählt aus Drähten, Drahtgeflechten, Drahtbündel, Drahtnetzen, Fasern und/oder Gewebe aus einem elektrisch leitfähigen Material. In Ausführungsformen umfasst die erste Kathode - bevorzugt flexible - Metalldrähte, metallisch beschichtete Kunststoffe, elektrisch leitfähige Kunststoffe (insbesondere durch Graphitfüllung) und Kohlefasern.
Mehrgliedrig ausgestaltet im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Kathode mehrere, bevorzugt starre, Teile umfasst, die flexibel miteinander verbunden sind. Flexibel miteinander verbunden im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die mehrgliedrige Kathode, bevorzugt unter Einwirkung mechanischer Kräfte, wie beispielsweise Strömungen in Flüssigkeiten, und/oder elektrischer Kräfte, wie beispielsweise Kräfte in einem elektrischen Feld und insbesondere aufgrund von Kontaktkräften auf ihren Schutzmantel, ihre Form mindestens in einer, bevorzugt in zwei oder drei Dimensionen des Raumes ändern kann.
In Ausführungsformen ist die mehrgliedrig ausgestaltete Kathode ausgewählt aus Ketten, Netzen, gelenkig verbundenen Stäben, über flexible Kabel verbundenen Stäben, Kugel- und/oder Plattenabschnitten und/oder Kombinationen dieser.
In Ausführungsformen umfasst eine mehrgliedrig ausgestaltete Kathode Verzweigungen und Verästelungen, sodass von einer Basis-Kathode sukzessive immer kleinere Sub-Kathoden abstehen um auch in kleine Vertiefungen zu gelangen.
Erfindungsgemäß weist die mindestens eine erste Kathode einen Schutzmantel zur elektrischen Abschirmung auf. Der Schutzmantel dient gleichzeitig als Abstandshalter zwischen erster Kathode und Bauteil.
Erfindungsgemäß ist der Schutzmantel ein- oder mehrschichtig aufgebaut und/oder ein- oder mehrteilig ausgebildet und weist mindestens eine Öffnung und/oder mindestens einen Zwischenraum auf.
Erfindungsgemäß ist die Öffnung und/oder der Zwischenraum derart ausgestaltet ist, dass sich ein elektrisches Feld zwischen erster Kathode und Bauteil ausbilden und ein elektrischer Strom fließen kann.
In Ausführungsformen sind die Öffnungen und/oder. Zwischenräume durch Abstände zwischen festen Schutzmantel-Abschnitten wie z.B. zwischen Kunststoffhülsen ausgebildet.
In Ausführungsformen sind die Öffnungen und/oder Zwischenräume durch die Zwischenräume in feinen, nichtleitfähigen Geweben und/oder perforierten Folien ausgebildet.
In Ausführungsformen ist die flexibel bewegliche Kathode ausgewählt aus Drähten, Drahtgeflechten, Drahtbündel, Drahtnetzen, Fasern und/oder Gewebe aus einem elektrisch leitfähigen Material.
In Ausführungsformen ist das Gewebe ausgewählt aus Kupfergewebe, Karbongewebe, Stahlwolle.
In Ausführungsformen ist das Gewebe aufgebaut aus einer Vielzahl von kreuzförmig gewebten flexiblen Fäden aus Elektrodenmaterial. Vorteilhaft kann sich durch die Gewebestruktur die Kathode an die komplexe Form bzw. Struktur des Bauteils anpassen, und so für einen über die gesamte Form des Bauteils konstanten Abstand von Kathode zum Bauteil bzw. Anode sorgen.
Vorteilhaft kann durch die hohe Flexibilität der mindestens einen ersten Kathode eine individuelle Anpassung an die Oberflächengeometrie des Bauteils oder der Bauteile erfolgen.
In Ausführungsformen umfasst die Kathode also Draht in verschiedenen Ausgestaltungen. In Ausführungsformen ist mindestens ein Teil oder alle Drähte von dem Schutzmantel umhüllt. In Ausführungsformen ist der Schutzmantel eine Kunststoffummantelung, beispielsweise aus Elastomeren und/oder Thermoplasten. In weiteren Ausführungsformen ist es eine Ummantelung aus Keramiken, Kohlenstoff, Glas, Silikone und/oder organische Materialien wie z.B. Baumwolle, Holz, Leder und/oder Horn.
In Ausführungsformen ist diese Ummantelung an mindestens einer Stelle unterbrochen, zum Beispiel durch kleinste Löcher, Kanäle, Risse, zur Bildung mindestens einer Öffnung im Schutzmantel.
In Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der ersten Kathode, beispielsweise die einzelnen Drähte, von Fasern und/oder Fäden aus einem schlecht oder nichtleitenden Material umwickelt. Die Umwicklung des Drahtes erfolgt so, dass an mindestens einer Stelle eine Lücke in der Umwicklung angeordnet ist.
In Ausführungsformen ist der Schutzmantel eine semipermeable Membran und/oder ein Gewebe aus einem nichtleitenden oder schlechtleitenden, also isolierenden Material. In Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der ersten Kathode, beispielsweise deren Drähte, damit umwickelt.
In Ausführungsformen umfasst der Schutzmantel einen Festkörperelektrolyten. Im Sinne der Erfindung ist dies mindestens eine Art Kunststoff, Festkörpergel und/oder mikroporöses, saugfähiges Material, welches bzw. welcher einen entsprechenden Gehalt an einer Säure in ihrer Porosität oder durch Diffusion bzw. Löslichkeit in sich aufnehmen kann.
In Ausführungsformen ist die mindestens eine erste Kathode als flexibles Netz und/oder Gewebe aus Fäden und/oder Fasern aus Elektrodenmaterial, also leitfähigem Material, ausgestaltet, wobei die einzelnen Fäden und/oder Fasern zumindest teilweise durch ein Gewebe aus isolierendem Material umhüllt sind.
In Ausführungsformen ist das Gewebe aus isolierendem Material ausgewählt aus Woll-, Baumwoll-, und/oder Synthetikgewebe, wie beispielsweise Nylon.
In Ausführungsformen umfasst der Schutzmantel mindestens einen offenporigen Schaum, beispielsweise Neopren.
In Ausführungsformen ist der Schutzmantel mehrteilig aufgebaut, beispielsweise aus Perlen aus isolierendem Material, die auf die erste Kathode, beispielsweise auf Draht oder Drahtbündel und/oder Fasern oder Faserbündel und/oder Fäden oder Fadenbündel, aufgefädelt sind.
In Ausführungsformen sind die Perlen kugelförmig und/oder würfelförmig und/oder unregelmäßig geformt.
Die Perlen sind bevorzugt aus Acrylkunststoff und die Elektrode zwischen den Perlen unisoliert.
Bevorzugt haben die Perlen 8±3mm Durchmesser, insbesondere 8±1mm.
In Ausführungsform umfasst der Schutzmantel Hülsen, welche beispielsweise auf eine erste Kathode aus Draht aufgezogen sind. In Ausführungsformen sind Perlen und Hülsen alternierend auf Draht aufgezogen. In einer Ausführungsform umfasst der Schutzmantel eine mehrlagige Ausführung von Hülsen kleineren und größeren Durchmessers, um einerseits einen Stromfluss durch die Zwischenräume zu ermöglichen und andererseits Kurzschlüsse durch direkten Kontakt zwischen Kathode und Bauteil garantiert zu verhindern.
Ausführungsformen umfassen die Perlen und/oder Hülsen Kunststoffe, beispielsweise Neopren, und/oder feste oder hochviskose Gele., die einen entsprechenden Gehalt an einer Säure in ihrer Porosität oder durch Diffusion bzw. Löslichkeit in sich aufnehmen können und somit als eine Art „Festkörper-Elektrolyt“ dienen.
In Ausführungsformen sind die festen Gele ausgewählt aus Xerogele, bzw. Lyogele wie Kieselgel oder Silikagel.
In Ausführungsformen ist die mindestens eine erste Kathode als flexibles Netz und/oder Gewebe aus Fäden und/oder Fasern aus Elektrodenmaterial, also leitfähigem Material, ausgestaltet, wobei als Schutzmantel bzw. Abstandshalter Perlen und/oder Hülsen dienen, die in das Netz oder Gewebe eingearbeitet sind. In Ausführungsformen ist die Kathode im Bereich von Rändern und Ecken eines solchen Netzes durch eine nichtleitfähige Beschichtung lokal abgedeckt, um Kurzschlüsse mit dem Bauteil auszuschließen.
Vorteilhaft dient der Schutzmantel auch als Abstandshalter zwischen Kathode und Bauteil. Weiterhin wird vorteilhaft die Flexibilität der ersten Kathode auch mit dem Schutzmantel erhalten.
In Ausführungsformen ist der Schutzmantel mehrschichtig aufgebaut. In Ausführungsformen können alle Schichten aus dem gleichen Material oder aber aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein.
Vorteilhaft kann durch den Schutzmantel ein Abstand zwischen dem leitfähigen Kern der Kathode und dem Bauteil gewährleistet werden. Vorteilhaft werden dadurch Kurzschlüsse oder Durchschläge zwischen Bauteil und Kathode vermieden.
Vorteilhaft verhindert der Schutzmantel aus einem schlecht- oder nichtleitendem Mantel ein Berühren vom leitfähigen Teil der Kathode und Bauteil und hält diese auf einen definierten (Mindest-) Abstand. Hierdurch kann ein elektrisches Potential auf dem Werkstück erzielt werden, das weitestgehend räumlich konstant ist.
In Ausführungsformen ist der Behälter ein elektrisch leitfähiges Gefäß, beispielsweise umfasst mindestens ein Teil des Behälters ein elektrisch leitfähiges Material. Leitfähige Gefäße sind dem Fachmann bekannt.
In Ausführungsformen ist mindestens ein Teil des Behälters als Elektrode, insbesondere als Kathode ausgestaltet, wobei diese Kathode im Sinne der Erfindung als zweite Kathode bezeichnet wird.
In Ausführungsformen ist dann die Spannungsquelle mit der zweiten Kathode verbunden. Die mindestens eine erste Kathode ist mit dem als zweite Kathode ausgestalteten Teil des Behälters mechanisch elektrisch leitend und/oder elektrisch verbunden, sodass die mindestens eine erste Kathode mittelbar auch von der Spannungsquelle kontaktiert werden kann.
Mechanisch elektrisch leitend verbunden bedeutet, dass die Verbindung zwischen erster und zweiter Kathode über mindestens ein Mittel, umfassend mindestens ein festes, leitfähiges Material, beispielsweise Draht, erfolgt. Solche Mittel sind dem Fachmann bekannt.
Elektrisch verbunden bedeutet, dass die leitende Verbindung zwischen erster und zweiter Kathode nicht über ein Mittel, umfassend mindestens ein festes Material, erfolgt, sondern über mindestens eine leitfähige Flüssigkeit und/oder leitfähiges Gas, beispielsweise über einen leitfähigen Elektrolyten erfolgt.
In Ausführungsformen ist die mindestens eine Kathode mechanisch und/oder elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden. In Ausführungsformen sind mindestens zwei erste Kathoden vorhanden. In Ausführungsformen ist ein Teil der ersten Kathoden mechanisch mit der Spannungsquelle verbunden, und ein anderer Teil der ersten Kathoden mindestens mittelbar, beispielsweise über die zweite Kathode, elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden.
In Ausführungsformen ist die mindestens eine erste Kathode elektrisch mit der zweiten Kathode verbunden. Sie ist dann nicht fest, also über eine mechanische Verbindung, beispielsweise über Draht, mit der Spannungsquelle und/oder zweiten Kathode verbunden. Diese nicht angebundenen Kathoden sind in Ausführungsformen frei im Elektrolyten beweglich und werden über den Elektrolyten in das elektrische Potential eingekoppelt und reduzieren den Abfall des Potentials entlang ihrer Länge auf ein Minimum (im Wesentlichen nur durch die elektrischen Widerstände). In Ausführungsformen sind die frei beweglichen ersten Kathoden ausgewählt aus kurzen, beispielsweise 0,5 bis 20 cm langen Stücken aus Draht, Drahtbündeln und/oder Drahtgeflecht. Diese Stücke sind jeweils von Perlen und/oder Hülsen und/oder Geweben und/oder Schläuchen und/oder nichtleitenden Schäumen ummantelt. Diese frei beweglichen ersten Kathoden weisen eine hohe Flexibilität auf und können vorteilhaft auch an schwierig zu erreichende Bereiche des Bauteils gelangen. Vorteilhaft kann damit das elektrische Feld gleichmäßig auf die Geometrie des Bauteils verteilt werden.
In Ausführungsformen ist die Leitfähigkeit der flexiblen Kathode signifikant höher, als die des Elektrolyten. Unter signifikant wird in diesem Zusammenhang ein Verhältnis von höher 100:1, bevorzugt 1.000:1, insbesondere 10.000:1 verstanden.
In Ausführungsformen weist die Vorrichtung mindestens einen Füllkörper auf, welcher ausgestaltet ist, die Kathode durch Kontaktkraft auf ihren Schutzmantel nahe an das Bauteil zu drücken. Der minimal mögliche Abstand von Kathode und Bauteil wird hierbei durch die Geometrie des Schutzmantels vorgegeben.
Im Sinne der Erfindung bedeutet nahe am Bauteil, dass die Kathode 1 mm bis 10 cm vom Bauteil entfernt ist, so dass eine Übertragung von Ladungsträgern von der ersten Kathode auf das Bauteil möglich ist.
In Ausführungsformen ist der mindestens eine Füllkörper ein federndes Element, das heißt, in seiner Form durch Einwirkung mechanischer Kräfte flexibel veränderbar.
In Ausführungsformen ist der bzw. die Füllkörper ausgewählt aus Ballonen, Schwämmen, Gummikörpern, insbesondere Gummiperlen, Kunststoffkörpern, insbesondere Kunststoffperlen, aufgeblasenen Membranen und/oder Mischungen dieser.
In Ausführungsformen sind die Schwämme ausgewählt aus PU-Schwämmen, natürlichen Schwämmen, Kautschuk-Schwämmen, Neopren-Schwämmen.
In Ausführungsformen haben die Füllkörper Abmessungen von 1,0 mm bis 10 cm. Insbesondere Abmessungen von 2 bis 10 mm.
In Ausführungsformen werden die Zwischenräume zwischen frei beweglichen ersten Kathoden und fest an die Gefäßwand, beispielsweise an eine zweite Kathode, und/oder Spannungsquelle angebundene erste Kathoden so mit Füllkörpern ausgefüllt, dass eine mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen zweiter Kathode und erster Kathode und/oder Spannungsquelle und erster Kathode sowie zwischen den ersten Kathoden möglich ist. Vorteilhaft können die ersten Kathoden, die nahe am Bauteil platziert sind, konstant elektro- und/oder plasmapolieren.
In Ausführungsformen weisen die Füllkörper unterschiedliche Größen auf. In Ausführungsformen werden so die frei beweglichen und/oder angebundenen flexiblen ersten Kathoden so am Bauteil platziert werden, dass sie sich an die Form des Bauteils anpassen und diese Form über die gesamte Polierdauer exakt halten.
In Ausführungsformen weist mindestens ein Füllkörper eine flexible Wandung und mindestens eine Ausströmöffnung auf und ist so ausgestaltet ist, dass er mit Gas, einer Flüssigkeit und/oder mit Elektrolyten befüllt und/oder entleert werden kann.
In Ausführungsformen erfolgt das Befüllen und/oder Entleeren des Füllkörpers mittels einer Pumpe.
In Ausführungsformen erfolgt das Befüllen und/oder Entleeren des Füllkörpers zyklisch. In Ausführungsformen erfolgt das Befüllen und/oder Entleeren des Füllkörpers mit einer Frequenz von 10 bis 0,0001 Hz.
Vorteilhaft entsteht durch das zyklische Be- und Entleeren der Füllkörper mindestens eine Strömungsbewegung im Elektrolyten, die vorteilhaft immer wieder frischen Elektrolyten an das Bauteil herantransportiert, während verbrauchter Elektrolyt vom Bauteil wegtransportiert werden kann.
Um die Umwälzung des Elektrolyten zu verbessern bzw. neuen, unverbrauchten Elektrolyten möglichst nah an das Bauteil zu bringen, kann der Raum zwischen Kathode und deren Schutzmantel gleichzeitig als Elektrolyt-Leitung dienen.
In Ausführungsformen ist deshalb zwischen der mindestens einen ersten Kathode und dem Schutzmantel ein Hohlraum ausgebildet, welcher ausgestaltet ist, dass mindestens ein Teil des Elektrolyten hindurchströmen kann.
In Ausführungsformen ist der Hohlraum ausgebildet, dass der Elektrolyt durch den Schutzmantel hindurchdiffundieren und/oder durch Löcher, Risse und/oder Kanäle durch den Schutzmantel in das Poliergefäß austreten kann.
In Ausführungsformen ist die mindestens eine erste Kathode ein Draht und/oder Drahtbündel und/oder Faser und/oder Faserbündel und ist von einem Schlauch umhüllt, welcher Löcher, offene Poren, Risse und/oder Kanäle aufweist, In Ausführungsformen ist der Schlauch aus Kunststoff, Gummi und/oder einem isolierenden Material gefertigt.
In Ausführungsformen ist der Schutzmantel der ersten Kathode als Transportschlauch angeordnet, mit mindestens einem Zufluss für frischen Elektrolyten. In Ausführungsformen ist die erste Kathode dann an die Wand des Behälters angebunden.
In Ausführungsformen ist der Transportschlauch um mindestens einen Teil der flexiblen ersten Kathode angeordnet.
In Ausführungsformen weist der Transportschlauch Öffnungen auf, die zum einen ein Ausströmen und/oder Diffundieren des Elektrolyten über mindestens einen Teil der Länge der flexiblen ersten Kathode in den Behälter ermöglichen, und zum anderen den Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen erster Kathode und Bauteil und/oder mindestens einer weiteren ersten Kathode ermöglichen.
In Ausführungsformen weist der Behälter mindestens eine Abflussöffnung auf, aus der verbrauchter Elektrolyt aus dem Behälter entnommen werden und/oder ausströmen kann.
Vorteilhaft wird so ermöglicht, dass sich möglichst viel unverbrauchter Elektrolyt am Bauteil befindet und der Metallabtrag nicht durch bereits verbrauchten Elektrolyt unterschiedlich stark erfolgt.
In Ausführungsformen ist das Bauteil im Elektrolyten beweglich angeordnet. In Ausführungsformen ist das Bauteil dazu an einer beweglichen Halterung befestigt. In Ausführungsformen ist das Bauteil mit Mitteln zur Befestigung so angeordnet, dass es durch den Elektrolyten hindurch bewegt werden kann. Diese Bewegung kann eine Tauch-, Schwenk-, Dreh- und/oder Vibrationsbewegung sein. Mittel zur Befestigung von Bauteilen, welche gleichzeitig diese Bewegungen ermöglichen, sind dem Fachmann bekannt.
In Ausführungsformen ist die Vorrichtung ausgelegt, dass das Bauteil oder die Bauteile frei im Elektrolyten beweglich sind.
In Ausführungsformen ist der Behälter ein leitfähiges Gefäß und mindestens teilweise mit einem Schutzmantel ausgekleidet. Vorteilhaft kann damit, insbesondere bei frei beweglichen, nicht fixierten Bauteilen ein Kontakt mit leitfähigem Gefäß und Bauteil vermieden werden und damit Kurzschlüsse unterbunden werden.
In Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung Mittel, die den Behälter in Bewegung, beispielsweise Vibration und/oder Rotation und/oder Schwenken und/oder Rütteln versetzen können, sodass im Elektrolyten Strömungen erzeugt werden können. Solche Mittel sind dem Fachmann bekannt. Das könnte z.B. eine rotierende Trommel sein.
In Ausführungsformen ist die Achse des Mittels horizontal oder geneigt. In Ausführungsformen kann sie sich kontinuierlich drehen oder aber zyklisch.
Auch ein Unwuchtmotor oder ähnliches kann an dem Behälter oder am Bauteil angebracht werden
In Ausführungsformen erfolgt das Versetzen des Behälters in Vibration durch Ultraschallanregung. In Ausführungsformen ist die Vorrichtung in eine Rüttel- und/oder Schwenkvorrichtung eingefasst.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren mindestens eines Bauteils mit metallischer Oberfläche in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Schritten

- Bereitstellen eines Behälters zur Aufnahme mindestens einen Elektrolyten,
- Einbringen mindestens eines Elektrolyten in den Behälter,
- Einbringen des Bauteils in den Behälter, wobei das Bauteil als Anode gepolt wird,
- Einbringen mindestens einer ersten Kathode in den Behälter,
- Anlegen einer Spannung zwischen Kathode und Bauteil erfolgt, wobei die Oberfläche des Bauteils elektropoliert und/oder Plasmapoliert wird.

Erfindungsgemäß wird ein Behälter zur Aufnahme eines Elektrolyten bereitgestellt.
In Ausführungsformen ist der Behälter ein leitfähiges Gefäß.
In Ausführungsformen weist der Behälter Mittel zur Befestigung und/oder Kontaktierung mindestens einer ersten Kathode auf. In Ausführungsformen ist mindestens ein Teil des Behälters als zweite Kathode ausgestaltet.
Erfindungsgemäß wird in einem Schritt des Verfahrens mindestens ein Elektrolyt in den Behälter eingebracht.
Die elektrolytische Spannung (Gleichstrom) liegt in einer bevorzugten Ausführungsform des Plasmapolierens bei >200V, beim Elektropolieren bevorzugt bei 1-80V. Der Strom bevorzugt bei 0,12±0,05 A/cm². Der pH-Wert ist in einer bevorzugten Ausführungsform beim Plasmapolieren 3,5-7,5.
Bevorzugt ist die Temperatur beim Plasmapolieren bei >70°C, insbesondere 80-90°C. Der Wassergehalt ist bevorzugt >90%.
Erfindungsgemäß erfolgt in einem Schritt das Einbringen mindestens eines Bauteils in den Behälter. In Ausführungsformen ist das Bauteil durch Mittel zur Befestigung, beispielsweise am Behälter, fixiert. In Ausführungsformen ist das Bauteil durch Mittel zur Halterung fixiert, wobei vorteilhaft die Halterung so ausgestaltet sein kann, dass das Bauteil beweglich im Elektrolyten angeordnet ist.
In Ausführungsformen ist das Bauteil frei im Elektrolyten beweglich, schwimmt also beispielsweise darin.
Erfindungsgemäß erfolgt in einem Schritt das Einbringen mindestens einer ersten Kathode in den Behälter.
In Ausführungsformen erfolgt das Einbringen der ersten Kathode in den bereits in den Behälter eingebrachten Elektrolyten. In Ausführungsformen, insbesondere, wenn die erste Kathode an der Behälterwand angebunden ist, erfolgt das Einbringen des Elektrolyten nach dem Einbringen der ersten Kathode.
In Ausführungsformen erfolgt erst nach Einbringen des Elektrolyten und des mindestens einen Bauteils die Einbringung der mindestens einen Kathode in den Behälter.
In Ausführungsformen werden mehrere, im Elektrolyten frei bewegliche erste Kathoden in den Behälter eingebracht.
Erfindungsgemäß wird das Bauteil als Anode gepolt.
In Ausführungsformen ist eine Wechselpolung des Bauteils möglich, das heißt, das Bauteil wird im Wechsel als Anode oder als Kathode gepolt. Die erste Kathode wird zu einer ersten Anode, wenn das Bauteil als Kathode gepolt ist.
In Ausführungsformen sind die Phasen von positiver und negativer Polung in Dauer, Spannung und Stromstärke gleich oder verschieden.
Erfindungsgemäß erfolgt anschließend das Anlegen einer Spannung zwischen erster Kathode und Bauteil. In Ausführungsformen erfolgt das Anlegen einer Spannung an die mindestens eine Kathode mittelbar über die zweite Kathode, beispielsweise über eine mechanische oder elektrische Verbindung zwischen erster und zweiter Kathode.
In Ausführungsformen beträgt beim Elektropolieren die Spannung 5V-100V.
Die Stromdichte auf dem Bauteil beträgt 0,2-3,4 A/cm², besonders bevorzugt 1,5-3 A/cm², insbesondere 2,0-2,8 A/cm².
Vorteilhaft wird durch das Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld zwischen mindestens einer ersten Kathode und Bauteil erzeugt. Metallionen an der Oberfläche des metallischen Bauteils werden dabei aus der Oberfläche herausgelöst und gehen in den Elektrolyten über. Die Oberfläche wird dadurch abgetragen und somit poliert.
In Ausführungsformen wird mindestens ein Teil der Oberfläche des Bauteils vor der Einbringung in den Behälter, mit einem nicht- oder schwer leitfähigen Material bedeckt, beispielsweise lackiert oder abgeklebt oder anderweitig elektrisch isolierend beschichtet. Dieser Teil des Bauteils ist dann vorteilhaft vor dem elektrolytischen Abtrag geschützt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn an bestimmten Stellen die raue Oberfläche des Bauteils, z.B. aus Designgründen, Haptik oder tribologischen Gründen, erhalten werden soll oder wenn die Oberfläche an gewissen Stellen, z.B. durch Zerspanung, bereits aufbereitet wurde.
In Ausführungsformen wird zusätzlich mindestens ein Füllkörper in den Behälter eingebracht.
In Ausführungsformen werden so viele Füllkörper in den Behälter eingebracht, dass die Zwischenräume zwischen Bauteil und mindestens einer ersten Kathode damit im Wesentlichen ausgefüllt sind.
In Ausführungsformen ist der Füllkörper ein aufblas- oder befüllbares Element mit mindestens einer Eintritt- und mindestens einer Austrittsöffnung für Gase und/oder Flüssigkeiten.
In Ausführungsformen wird über die Eintrittsöffnung des Füllkörpers, vorzugsweise zyklisch, Elektrolyt eingepumpt, wobei der Füllkörper sich ausdehnt. Über die Austrittsöffnung wird der Füllkörper, vorzugsweise zyklisch, entgegen dem Einfüllzyklus, entleert, wobei sich die Ausdehnungen des Füllkörpers wieder verkleinern.
In Ausführungsformen erfolgt das Befüllen und/oder Einblasen von Flüssigkeit und/oder Gas in den Füllkörper, als auch dessen Entleerung, mittels mindestens einer Pumpenvorrichtung.
Vorteilhaft wird durch das zyklische Befüllen und Entleeren des mindestens einen Füllkörpers Bewegung innerhalb des Elektrolyten erzeugt, sodass es vorteilhaft zu einer Durchmischung des Elektrolyten kommt. Vorteilhaft wird damit verbrauchter, das heißt, mit Metallionen des Bauteils bereits angereicherter, Elektrolyt vom Bauteil wegtransportiert und frischer, das heißt, mit Metallionen noch nicht angereicherter, Elektrolyt zum Bauteil hintransportiert.
In Ausführungsformen ist der Schutzmantel mindestens einer ersten Kathode als Transportschlauch angeordnet, mit mindestens einem Zufluss für frischen Elektrolyten. In Ausführungsformen ist die erste Kathode dann an die Wand des Behälters angebunden.
In Ausführungsformen erfolgt durch den Zufluss ein Einbringen von Elektrolyten in den Transportschlauch, beispielsweise über eine Pumpenvorrichtung.
Vorteilhaft erfolgt damit eine Zufuhr von frischem Elektrolyten in den Behälter. In Ausführungsformen wird verbrauchter Elektrolyt über mindestens einen Abfluss aus dem Behälter ausgetragen.
Vorteilhaft wird eine Strömung und/oder Bewegung in den Elektrolyten eingebracht, sodass verbrauchter Elektrolyt vom Bauteil wegtransportiert und frischer Elektrolyt zum Bauteil hintransportiert werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren der Oberfläche eines oder mehrerer Bauteile mit metallischer Oberfläche.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne dass dieses limitierend wirkt.
Ausführungsbeispiele
Gemäß Stand der Technik zeigt 1 einen Behälter 4, der leitfähig ausgeführt ist und direkt als Kathode eingesetzt wird. In diesem Behälter befindet sich das kontaktierte Bauteil 3 sowie ein Elektrolyt 2. Zwischen Kathode und Bauteil wird über die Kontaktierung eine Spannung bzw. ein elektrisches Potential sowie ein elektrischer Strom angelegt. In 1 wird darüber hinaus ersichtlich, dass die Abstände 6 zwischen Bauteil und Kathode unterschiedlich groß sind. Darüber hinaus kommt es sogar zu einer Abschattung des auf der Oberfläche wirkenden elektrischen Felds bzw. der sich einstellenden Stromdichte aufgrund des Faraday'schen Effekts 5.
Die folgenden Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
2 zeigt eine flexible, bewegliche Elektrode/Kathode 8, die mit einem Schutzmantel 9 ausgestattet ist. Der Schutzmantel verhindert eine Berührung von Kathode und Bauteil. Durch die Öffnungen 7 im Schutzmantel kann sich das elektrische Feld zwischen Kathode und Bauteil (Anode) ausbilden sowie der resultierende elektrische Strom bzw. die Metallionen fließen.
Der nichtleitende Mantel 9 verhindert ein Berühren von Kathode (leitfähigem Teil) und Bauteil und hält dies auf einen definierten (Mindest-)Abstand. Hierdurch kann ein elektrisches Potential auf dem Werkstück erzielt werden, das weitestgehend räumlich konstant ist.
Elektrolyte können hierbei Flüssigkeiten, Festkörper, Gele oder ggf. gasförmig oder eine Mischung (Suspensionen, etc.) sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Kombination von frei beweglichen, flexiblen Kathoden 8 und fest angebundenen flexiblen Kathoden. Dargestellt ist ein Beispiel, bei dem flexible erste Kathoden an der äußeren, starren (zweiten) Kathode befestigt sind, sowie im Elektrolyt „herumschwimmende“, nicht fest kontaktierte Elektroden bzw. Kathoden. Die Anzahl der dargestellten Elektroden ist aus Ansichtsgründen sehr gering. In einer realen Ausführung kommen sehr viele angebundene und nicht angebundene Kathoden zum Einsatz, um einen möglichst gleichmäßigen Abstand zwischen Bauteil und Elektroden zu gewährleisten. Die nicht angebundenen Elektroden werden über den Elektrolyten in das elektrische Potential eingekoppelt und reduzieren dieses entlang ihrer Länge auf ein Minimum (im Wesentlichen nur durch die elektrischen Widerstände). Hierbei muss natürlich sichergestellt werden, dass die Leitfähigkeit der flexiblen Kathoden möglichst hoch ist - zumindest signifikant höher, als die des Elektrolyten.
4 zeigt schematisch eine Poliervorrichtung, in der Füllkörper 10 eingesetzt werden, um die flexibel beweglichen Kathoden, die sowohl frei im Elektrolyt schwimmen als auch fest an das Gefäß/Behälter gebunden sind, an die Form des Bauteils anzupassen. Die in 4 dargestellten Füllkörper sind Ballone unterschiedlicher Größe, die dafür sorgen, dass das komplette Kathodensystem (bestehend aus frei herumschwimmenden Kathoden 8a und am Behälter befestigten flexiblen Kathoden 8b) an die Form des Bauteils anpasst und diese Form über die gesamte Polierdauer exakt gehalten wird. In einer realen Ausführung der elektrolytischen Poliervorrichtung kommen sehr viele angebundene und nicht angebundene Kathoden sowie eine Vielzahl von Füllkörpern zum Einsatz, um einen möglichst gleichmäßigen Abstand zwischen Bauteil und Elektroden zu gewährleisten und um sicherzustellen, dass die Kathoden eine möglichst exakte Negativform des Bauteils annehmen.
5 zeigt eine elektrolytische Poliervorrichtung mit einer in die flexible Kathode 8 integrierten Elektrolytleitung 2a und einem Abfluss 2b für verbrauchten Elektrolyt. Der Schutzmantel 9 der flexiblen Kathode 8 dient hierbei als Transportschlauch, um frischen Elektrolyten in die Poliervorrichtung zu bringen. Der Elektrolyt tritt dabei aus kleinen Löchern aus dem Schutzmantel in das Gefäß. Je nach Material des Schutzmantels kann der Elektrolyt auch in das Gefäß durch den Schutzmantel diffundieren. Über einen Abfluss gelangt der verbrauchte Elektrolyt aus der Poliervorrichtung. Somit wird gewährleistet, dass sich möglichst viel unverbrauchter Elektrolyt am Bauteil befindet und der Metallabtrag nicht durch bereits verbrauchten Elektrolyten unterschiedlich stark erfolgt. In einer realen Ausführung kommen sehr viele flexible Kathoden zum Einsatz, in deren Schutzmäntel frischer Elektrolyt in die Vorrichtung strömt.
6 zeigt den Aufbau der Kathode 8 mit elektrisch leitfähigem und flexibel beweglichem Draht und schlecht bzw. nichtleitendem Schutzmantel bzw. Schutzhülsen 12. Dargestellt ist exemplarisch schematisch der Aufbau einer flexiblen Kathode 8 mit Hülsen 12 als Schutzmantel. Der Schutzmantel in Form der Hülsen dient hierbei zur Abstandsregelung von Kathode zur Anode bzw. Bauteile und verhindert somit auch einen Kurzschluss bei Kontakt zwischen Kathode und Anode. Die freien Stellen zwischen den Hülsenenden dienen zur Ausbildung des elektrischen Feldes zwischen Bauteil und Kathode.
7 zeigt eine flexibel bewegliche Kathode 8, deren Schutzmantel mehrteilig ist und aus Perlen 13 besteht. Die Perlen können hierbei aus Kunststoffen bestehen, die einen entsprechenden Gehalt an einer Säure in ihrer Porosität oder durch Diffusion bzw. Löslichkeit in sich aufnehmen können und somit als eine Art „Festkörper-Elektrolyt“ dienen.
Ausführungsbeispiel A:
Die Elektrolyte zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen üblicherweise aus Mischungen aus einer oder mehreren flüssigen Hauptkomponenten aus Wasser, Methanol, Ethanol, Glycerin, Ethylenglycol und/oder Butylglykol. Diesen Hauptkomponenten sind üblicherweise Säuren oder Mischungen von Säuren im Verhältnis von 100:1 bis 1:1 insbesondere im Verhältnis 20:1 bis 5:1 zugesetzt. Hierzu gehören insbesondere die Säuren oder Mischungen aus Säuren von Phosphorsäure, Perchlorsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure, Essigsäure und Flusssäure.
In diesen flüssigen Komponenten können darüber hinaus geringe Mengen (in Summe kleiner 10 Gew. %) an Kaliumjodid, Chrom(VI)-oxid, Natriumhydroxid, Kaliumcarbonat, Kaliumcyanid, Silbercyanid, Natriumcyanid, Kaliumferrocyanid Natriumsalze, Ammoniumacetat, Natriumhiocyanat, Ammoniumsulfat und/oder Kaliumhydroxyd gelöst sein um die Leitfähigkeit und damit den Abtrag bei der elektrolytischen Politur zu verbessern.
Die Einsatztemperaturen bei Elektrolyten bei explosiven (bzw. mit Luft explosive Gemische bildende) Lösungsmitteln und/oder Säuren liegt bei unter 35°C. Je nach Konzentration der Säuren und der Leitfähigkeit-verbessernden gelösten Komponenten kann die Spannung in einem weiten Bereich zwischen 1,0 und 80 V betragen.
Beim sogenannten Plasmapoliren wird hingegen eine Spannung größer 200 V eingesetzt, die Temperatur größer 70°C eingestellt sowie ein Elektrolyt mit einem Wassergehalt größer 90% verwendet.
Vergleichsbeispiel B:
Eine Erprobung gem. Stand der Technik wurde an einem additiv gefertigten Bauteil (selektives Laserstrahlschmelzen) aus dem austenitischen Stahl 316L mit komplexen, innenliegenden Strukturen gemacht, das über eine Krokodilklemme kontaktiert wurde und an einer Schnur in das Elektrolyt in eine Dose aus rostfreiem Stahl gehängt wurde. Aufgrund der innenliegenden Strukturen konnte beim herkömmlichen elektrolytischen Polieren mit einer äußeren Kathode (leitfähige Dose aus säurebeständigem Stahl, Durchmesser 200mm) keine zufriedenstellende Polierwirkung und insbesondere kein gleichmäßiger Oberflächenabtrag erzielt werden.
Bereiche die weit von der Dose beanstandet waren und sich insbesondere im Inneren des Bauteils befanden (Innenkontur mit ca. 80mm Durchmesser) zeigten keinen messbaren Abtrag bzw. keine Verbesserung der Oberflächengüte. Bereiche die der Dose zugewandt waren zeigten hingegen einen (zu) hohen Abtrag und damit eine Verbesserung der Oberflächengüte bzw. Reduktion der Rauheit.
Der Elektrolyt bestand dabei aus 200ml destilliertem Wasser, 800ml Ethanol und 60ml Perchlorsäure. Die Spannung wurde dabei auf 22V eingestellt. Die Temperatur wurde durch einen Kühler auf weniger als 25°C eingestellt um eine Explosion durch Zersetzung der Perchlorsäure zu verhindern.
Ausführungsbeispiel C:
Als direkter Vergleich wurde nun zur Erprobung der Erfindung eine Elektrode aus Draht mit 0,6 mm Durchmesser aus Nickel hergestellt, auf den handelsüblichen Perlen aus Acrylkunststoff aufgefädelt wurden. Zwischen den Perlen mit 8 mm Durchmesser war der Draht dabei unisoliert.
Ca. 20 solcher Drähte mit Perlen mit etwa 1,0 m Länge wurden über Lüsterklemmen elektrisch leitend verbunden. Um zu verhindern, dass die letzte Perle vom Draht rutscht wurde diese mit Klebstoff fixiert.
Als Behältnis wurde nun ein nicht leitendes Becherglas aus Glas mit einem Durchmesser von 200 mm verwendet, in das das ebenfalls über eine Krokodilklemme kontaktierte Bauteil, Elektrolyt sowie die flexible Elektrode gegeben wurden.
Hierbei wurden zunächst ca. 40 cm der Elektroden in das Becherglas eingeführt, dann das Bauteil hinzugegeben und schließlich der Rest der Elektroden-Drähte.
Da die Elektroden-Drähte aufgrund der prototypisch gewählten Drahtstärke eine gewisse Steifigkeit aufwiesen, wurde die Elektrode mit einem Stempel der etwa dem Innendurchmesser des Becherglases (abzüglich dem Perlendurchmesser) entsprach in das Becherglas gedrückt und dabei komprimiert. Dabei kamen viele Perlen mit dem Bauteil in Berührung und gewährleisten somit einen Abstand von Bauteil und der drahtförmigen Elektrode von wenigstens 3 mm. Eine Berührung von der drahtförmigen Elektrode und dem Bauteil und somit ein Kurzschluss wurde dabei durch die Perlen erfolgreich verhindert.
Der Oberflächenabtrag war dabei am gesamten Bauteil sehr gleichmäßig. Die Oberflächenrauheit Rz verringerte sich dabei in einer Bestromungszeit von insgesamt 10 Min von über 90 µm auf weniger als 30 µm. Die Oberflächenmessungen wurden dabei mit dem taktilen Rauheitsmessgerät Hommel 8000 durchgeführt.
Mit Ausnahme der Elektrodenform waren alle Versuchsbedingungen identisch zu Vergleichsbeispiel B.
Bezugszeichenliste

1: Spannungsquelle
2: Elektrolyt
3: Bauteil
4: Behälter (leitfähiges Gefäß)
5: Faradayscher Käfig
6: unterschiedliche Abstände zwischen Bauteil und Kathode
7: Öffnungen im Schutzmantel
8: flexible erste Kathode
8a: frei bewegliche erste Kathode
8b: angebundene erste Kathode
9: Schutzmantel
10: Füllkörper
12: Hülse
13: Perlen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2543058 A [0005]
EP 0020956 A1 [0008]
DE 102015201080 A1 [0009]
DE 102011051660 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren mindestens eines Bauteils (3) mit metallischer Oberfläche, mindestens umfassend - einen Behälter (4) zur Aufnahme mindestens eines Elektrolyten (2), - mindestens eine erste Kathode (8), - mindestens eine Spannungsquelle (1), welche derart ausgebildet ist, um die mindestens eine erste Kathode (8) und das mindestens eine Bauteil (3) zu kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, - dass das mindestens eine Bauteil (3) fixiert und/oder beweglich im Behälter (4) angeordnet ist, - dass mindestens eine erste Kathode (8) flexibel beweglich und/oder mehrgliedrig ausgestaltet ist, - dass die mindestens eine erste Kathode (8) einen Schutzmantel (9) zur Verhinderung eines direkten Kontaktes zwischen erster Kathode (8) und Bauteil (3) aufweist, wobei der Schutzmantel (9) - ein- oder mehrschichtig aufgebaut und/oder ein- oder mehrteilig ausgebildet ist und mindestens eine Öffnung (7) aufweist, wobei die Öffnung (7) derart ausgestaltet ist, dass sich ein elektrisches Feld zwischen erster Kathode (8) und Bauteil (3) ausbilden und ein elektrischer Strom fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des Behälters (4) als eine zweite Kathode ausgestaltet ist, wobei die mindestens eine erste Kathode (8) mit der zweiten Kathode mechanisch und/oder elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine erste Kathode (8) mit der zweiten Kathode elektrisch verbunden ist, wobei die mindestens eine erste Kathode (8) frei im Behälter zur Aufnahme des Elektrolyten (2) beweglich ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schutzmantel (9) eine semipermeable Membran und/oder ein Gewebe aus isolierendem Material und/oder einen Festkörper-Elektrolyten umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine erste Kathode (8) als flexibles Netz aus Fäden und/oder Fasern aus Elektrodenmaterial ausgestaltet ist, wobei die einzelnen Fäden und/oder Fasern zumindest teilweise durch ein Gewebe aus isolierendem Material umhüllt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zusätzlich aufweisend mindestens einen Füllkörper (10), welcher ausgestaltet ist, die mindestens eine erste Kathode (8) konstant nahe am Bauteil (3) zu platzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Füllkörper (10) mindestens eine Ausströmöffnung aufweist und so ausgestaltet ist, dass er mit dem Elektrolyten (2) befüllt und/oder entleert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen der mindestens einen ersten Kathode (8) und dem Schutzmantel (9) ein Hohlraum ausgebildet ist, welcher ausgestaltet ist, dass mindestens ein Teil des Elektrolyten (2) hindurchströmen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) im Behälter (4) zur Aufnahme des Elektrolyten (2) beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (4) Mittel umfasst, die den Behälter in Vibration und/oder Rotation versetzen können, sodass im Elektrolyten (2) Strömungen erzeugt werden können.
Verfahren zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren mindestens eines Bauteils (3) mit metallischer Oberfläche in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten - Bereitstellen eines Behälters (4) zur Aufnahme mindestens einen Elektrolyten (2), - Einbringen mindestens eines Elektrolyten (2) in den Behälter (4), - Einbringen des Bauteils (3) in den Behälter (4), wobei das Bauteil als Anode gepolt wird, - Einbringen mindestens einer ersten Kathode (8) in den Behälter(4), - Anlegen einer Spannung zwischen Kathode und Bauteil, wobei die Oberfläche des Bauteils elektropoliert und/oder plasmapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des Elektropolierens und/oder Plasmapolierens Bewegung und/oder Strömung in den Elektrolyten eingebracht wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zum Elektropolieren und/oder Plasmapolieren der Oberfläche eines oder mehrerer Bauteile (3) mit metallischer Oberfläche.