DE10234136A1

DE10234136A1 - Verfahren zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten eines Werkstücks

Info

Publication number: DE10234136A1
Application number: DE10234136A
Authority: DE
Inventors: Magnus Dr.-Ing. Buhlert; Peter Jörg Prof. Dr. Plath
Original assignee: MIR CHEM GmbH; MIR-CHEM GmbH
Current assignee: MIR CHEM GmbH; MIR-CHEM GmbH
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrochemischen Form- und/oder Oberflächenabtragen bei einem metallischen Werkstück (10), wobei mehrere Elektroden (2, 3) zumindest teilweise in einer elektrolytischen Flüssigkeit (5) angeordnet werden und mit einem von einer Stromquelle (7) erzeugbaren Strom so beaufschlagt werden, daß mittels der mehreren Elektroden (2, 3) in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) ein Stromfeld ausgebildet wird, um Teilchen von einer Oberfläche des metallischen Werkstücks (10) abzutragen. Der Strom wird als ein zeitlich veränderlicher Strom ausgebildet, so daß mit Hilfe einer der mehreren Elektroden (2 bzw. 3) während eines Zeitraums eine Anode und während eines anderen Zeitraums (t¶3¶) eine Kathode gebildet wird, und daß mit Hilfe einer anderen der mehreren Elektroden (2 bzw. 3) während des einen Zeitraums eine Kathode und während des anderen Zeitraums eine Anode gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten eines Werkstücks, wobei mehrere Elektroden zumindest teilweise in einer elektrolytischen Flüssigkeit angeordnet werden und mit einem von einer Stromquelle erzeugbaren Strom so beaufschlagt werden, daß mittels der mehreren Elektroden in der elektrolytischen Flüssigkeit ein Stromfeld ausgebildet wird, um mit Hilfe einer von den mehreren Elektroden umfaßten Mikro-Bearbeitungselektrode eine Teiloberfläche des Werkstücks lokal zu bearbeiten. Das Verfah ren ist in verschiedenen Anwendungen des elektrochemischen Bearbeitens von Werkstücken nutzbar, insbesondere zum elektrochemischen Mikro-Form- oder Mikro-Oberflächenabtragen, zum Mikro-Elektropolieren, zum elektrophoretischen Mikro-Abscheiden oder zur Mikro-Reduktion oxidischer Metalle/Metallschichten sowie zum Mikro-Galvanisieren.
Eine elektrophoretische Bearbeitung beruht auf der Wanderung von elektrisch geladenen Kolloidteilchen in einem elektrischen Feld. Je nach der Wanderungsrichtung spricht man von Kataphorese (zum negativen Pol) oder von Anaphorese (zum positiven Pol). Die Elektrophorese beruht darauf, daß die Teilchen durch Anlagerung oder Abspaltung von Ionen gegenüber einer Flüssigkeit aufgeladen werden. Sie dient zur Trennung und zum Ausfällen von Kolloiden. Anwendungen finden beispielsweise beim Tauchlackieren statt. In der präparativen und analytischen Chemie wird die Papierelektrophorese zur Trennung kleiner Substanzmengen genutzt; dabei wird ein Tropfen der zu trennenden Mischung auf einen Papierstreifen (mit einer Pufferlösung) gebracht, an dessen Enden eine Spannung von einigen hundert Volt anliegt. Die Teilchen wandern verschieden schnell und können nachgewiesen werden, beispielsweise mittels Farbreaktion.
Beim elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks erfolgt ein Autrag von der Oberfläche oder ein Auftrag auf die Oberfläche des Werkstücks mittels einer oder mehrerer elektrochemischer Reaktionen zwischen dem Werkstück und einem leitenden Elektrolyten, in welchem das Werkstück angeordnet ist. Das elektrochemische Abtragen und das elektrochemische Auftragen bei metallischen Werkstücken unterscheiden sich im wesentlichen durch die Reaktionsrichtung der jeweiligen elektrochemischen Reaktionen, d.h. die Reaktionsrichtungen sind entgegengesetzt. Während das elektrochemische Abtragen bei metallischen Werkstücken ausgeführt wird, kann ein elektrochemisches Auftragen an leitenden Werkstücken, nämlich metallischen oder leitend gemachten nicht-metallischen Werkstücken, durchgeführt werden.
Bei bekannten Verfahren zum elektrochemischen Abtragen mit Fremdstromquelle ist das zu bearbeitende metallische Werkstück als eine Anode ausgebildet, die mit einer Gegenelektrode (Kathode) zusammenwirkt, wobei die Anode und die Kathode in einer elektrochemischen Zelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Derartige Verfahren unterscheiden sich von den Verfahren des chemischen und des elektrochemischen Abtragens ohne Fremdstromquelle dadurch, daß bei diesen kein äußerer Strom fließt.
Bei der Reduktion von oxidischen Metallen oder Oxidschichten auf Metallen wird das Werkstück als Kathode gebildet. Durch elektrochemische Reaktion geht Sauerstoff in den Elektrolyten über und Metalloxide werden zu Metall bzw. Legierungen reduziert.
Es können grundsätzlich drei Arten des elektrochemischen Abtragens unterschieden werden: elektrochemisches Ätzen, elektrochemisches Formabtragen und elektrochemisches Oberflächenabtragen. Diese Verfahren unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Verwendung oder Nichtverwendung einer äußeren Stromquelle. Ohne äußere Stromquelle findet der elektrochemische Abtrag aufgrund von Lokalelementbildung als aktives Ätzen statt. Zu diesem Verfahren gehören unter anderem Formteilätzen, Sprühätzen, Ätzentgraten und Ätzpolieren.
Für das elektrochemische Formabtragen (Form-Elysieren) sind eine hohe Wirkstromdichte von mehr als 1 kA/dm², eine formgebende Werzeugelektrode und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyts charakteristisch. Zu den Verfahren, bei denen mit einer äußeren Stromquelle gearbeitet wird, zählen beispielsweise das elektrochemische Senken, Drehen, Schleifen, Hohnen und Läppen.
Hiervon zu unterscheiden ist das elektrochemische Oberflächenabtragen. Hierbei werden Oberflächenschichten beliebiger Ausdehnung anodisch entfernt. Die Wirkstromdichten sind mit 1 bis 300 A/dm² verhältnismäßig gering. Der Abstand zwischen Werkstück und Gegenelektrode ist relativ groß. Es werden werkstoffspezifische Elektrolyte eingesetzt. Neben dem Elektropolieren (elektrochemisches Glänzen) werden auch das elektrochemische Entgraten, Beizen und Entmetallisieren in diese Verfahrensgruppe eingeordnet.
Das elektrochemische Oberflächenabtragen wird bei metallischen Werkstücken ausgeführt, um glänzende oder glatte und korrosionsbeständige Oberflächen zu erzeugen. Dieses Verfahren wird außer für dekorative Anwendungen unter anderem in der Medizin- und Lebensmitteltechnik eingesetzt. Rohrleitungen in kerntechnischen Anlagen werden wegen des besseren Reinigungsverhaltens elektropoliert. Des weiteren kann hiermit die Oberfläche der Rohrlei tungen dekontaminiert werden. Weiterhin werden mit Hilfe des Elektropolierens Proben für werkstoffkundliche Untersuchungen vorbereitet.
Beim galvanischen Abscheiden und bei der Galvanoplastik wird das zu bearbeitende metallische oder leitend gemachte Werkstück als Kathode (Abscheidungselektrode) in die Elektrolytlösung gehängt und wirkt mit der Gegenelektrode (Anode) zusammen. Hierbei können auch Werkstücke bearbeitet werden, die nur zum Zweck der Bearbeitung leitend gemacht werden, zum Beispiel zu galvanisierende Kunststoffe. Nicht zu bearbeitende Abschnitte der Oberfläche solcher Werkstücke werden mit einer isolierenden Schutzschicht (elektrolytbeständiger Resist) versehen. Die galvanischen Verfahren werden genutzt, um auf dem bearbeiteten Werkzeug einen metallischen Überzug zu erzeugen, der dem Korrosionsschutz, der Erzielung einer höheren Härte oder eines dekorativen Aussehens dienen kann. Hierbei können sowohl reine Metalle als auch Legierungen abgeschieden werden. Die Dicke der aufgebrachten Schicht hängt hierbei im wesentlichen von der Stromdichte und der Expositionszeit ab.
Bei bekannten Vorrichtungen für das elektrochemische Oberflächenabtragen als auch bei bekannten Vorrichtungen für das galvanische Abscheiden und die Galvanoplastik sowie im Fall des elektrophoretischen Beschichtens wird das zu bearbeitende Werkstück mit einem Anschluß einer Stromquelle elektrisch verbunden, d.h., das Werkstück wird als Anode bzw. Kathode genutzt. Das Werkstück wird in einem Elektrolyt eingebracht. In dem Elektrolyt werden weiterhin eine oder mehrere Gegenelektroden (Kathode bzw. Anode) eingebracht, die mit einem anderen Anschluß der Stromquelle verbunden ist.
Zum Abtragen von oder zum Auftragen auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks mittels elektrochemischer Reaktionen werden die Gegenelektrode und das als Elektrode (Anode bzw. Kathode) genutzte Werkstück mit einem Gleichstrom beaufschlagt, so daß mit Hilfe einer Innenreaktion ein Oberflächenabtrag bzw. eine Oberflächenabscheidung ausgelöst wird. Bei den beschriebenen Verfahren zum elektrochemischen Oberflächenabtragen oder zum galvanischen Abscheiden ist stets darauf zu achten, daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Anschlüssen der Stromquelle und dem Werkstück bzw. der Gegenelektrode ausgebildet ist, um ein ausreichendes Abtrag-/Abscheidungsergebnis zu erreichen. Da die zu bearbeiten den Werkstücke hinsichtlich der Form sehr verschieden ausgebildet sind, sind in Abhängigkeit von den Werkstücken verschiedene elektrisch leitende Haltemittel notwendig, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den mit der Stromquelle verbundenen Haltemittel und dem als Elektrode genutzten Werkstück auszubilden.
Bei der Reduktion metallischer Oxide wird mittels Gleichstrom Sauerstoff aus der Metalloxid-Kathode freigesetzt. Die Metalloxid-Kathode wandelt sich hierbei zu einem Metall oder einer Legierung um.
Aus dem Dokument Galvanotechnik, 89 (1998) Nr. 3, Seiten 739-747, ist bekannt, das als Elektrode genutzte Werkstück und die Gegenelektrode beim Elektropolieren eines Edelstahlblechs mit einem gepulsten Gleichstrom beaufschlagt werden können, um die Rauhheit der Oberfläche des Edelstahlblechs zu vermindern und/oder den Glanz der Oberfläche zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird die Gleichstromquelle periodisch ein- und ausgeschaltet. Mit geänderter Polung wird das bekannte Verfahren zum Galvanisieren oder zur Galvanoplastik verwendet.

Aus der Druckschrift DE 199 00 173 C1 ist ein Verfahren zur elektrochemischen Materialbearbeitung bekannt, bei dem zur Materialbearbeitung eine alternierende oder pulsierende Spannung angelegt wird, wobei die angelegte Spannung so gewählt wird, daß im zeitlichen Mittel kein merklicher Reaktionsstrom fließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten anzugeben, das die Herstellung einer zumindest lokal verbesserten Oberflächengüte des zu bearbeitenden Werkstücks ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strom ein zeitlich veränderlicher Strom ist, wobei zeitabhängige Änderungen des Stroms das ausgebildete Stromfeld zeitabhängig verändern und im zeitlichen Mittel ein von Null verschiedener Strom fließt.

Ein wesentlicher Vorteil, welcher mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht ist, besteht darin, daß neben der Mikro-Bearbeitung die Erzeugung einer definierten Oberflächengüte möglich ist. Weiterhin besteht gegenüber dem Stand der Technik der Vorteil, daß eine Mikro-Bearbeitung ohne Reinraum-Umgebung ermöglicht ist, was kostensenkend wirkt.

Beim Ausführen des Verfahrens fließt im zeitlichen Mittel ein äußerer Strom, so daß ein Abtrag/Auftrag mit äußerer Stromquelle stattfindet. Der Abtrag-/Auftragprozeß beruht somit auf einem Stromfluß in dem Stromkreis, welcher die elektrolytische Flüssigkeit und die Stromquelle einbezieht.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß ein Arbeitspunkt eingestellt wird, bei dem eine elektrochemische Reaktion zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten des Werkstücks abläuft, wobei der Arbeitspunkt in einem aktiven Bereich einer Stromdichte-Spannungs-Charakteristik liegt. Dieses hat den Vorteil, daß sich gewünschte elektrochemische Reaktionen einstellen, die gerade in diesem aktiven Bereich der Stromdicht-Spannungs-Charakteristik ablaufen. Beispielsweise kann auf diese Art und Weise ein Mikro-Formabtragen im aktiven Bereich der Stromdichte-Spannungs-Charakteristik realisiert werden, daß das Erzeugen einer rauhen Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks im abgetragenen Bereich ermöglicht.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein Arbeitspunkt eingestellt wird, bei dem eine elektrochemische Reaktion zum elektrochemischen Bearbeiten des Werkstücks abläuft, wobei der Arbeitspunkt in einem passiven oder einen transpassiven Bereich einer Stromdichte-Spannungs-Charakteristik liegt. Hierdurch können bei gleichzeitiger Erzeugung von Oberflächen hoher Güte hohe Ab-/Auftragraten erzielt werden. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, Oberflächen lokal zu elektropolieren.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die zeitabhängigen Änderungen des Stroms genutzt werden, um eine Ausbreitung des Stromfelds zum lokalen Bearbeiten der Teiloberfläche des Werkstücks zu begrenzen. Hierdurch können die zeitabhängigen Ände rungen des Stroms gezielt eingesetzt werden, um bestimmte Bereiche der Oberfläche des Werkstücks in vorbestimmter Weise zu bearbeiten.

Zweckmäßig kann vorgesehen sein, daß der Strom ein zeitlich veränderlicher Gleichstrom ist. Hierdurch wird erreicht, daß die elektrochemischen Reaktionen periodisch getrieben werden können. Des weiteren verbessern sich auf dieses Weise die Oberflächengüte sowie der Wirkungsgrad der elektrochemischen Bearbeitung.

Eine zeitliche Änderung des Stroms zum elektrochemischen Bearbeiten des Werkstücks ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf einfacher Weise dadurch erreicht, daß zum Ausbilden der zeitabhängigen Änderung des Stroms die Stromquelle zu- und abgeschaltet wird.

Die zeitabhängigen Änderungen des Stroms können bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit geringem Aufwand dadurch erreicht werden, daß zum Ausbilden der zeitabhängigen Änderungen des Stroms die mehreren Elektroden wiederholt umgepolt werden.

Die Variationsmöglichkeiten des Verfahrens zur Anpassung an die Erfordernisse zum elektrochemischen Bearbeiten bei verschiedenen Werkstücken können bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erweitert werden, daß ein Frequenzspektrum des zeitlich veränderlichen Stroms variiert wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein zeitlicher Verlauf des zeitlich veränderlichen Stroms mit Hilfe einer Überlagerung von wenigstens zwei zeitlich veränderlichen Funktionen erzeugt wird, so daß ein beliebiges Frequenzspektrum gebildet wird. Hierdurch kann für den jeweiligen Anwendungsfall ein optimierter zeitlicher Verlauf des zeitlich veränderlichen Stroms erzeugt werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß ein zeitlicher Verlauf des zeitlich veränderlichen Stroms chaotisch ist. Dieses hat den Vorteil, daß ein peri odischer oder leicht instabiler periodischer Reaktionsverlauf der elektrochemischen Mikro-Bearbeitung eingestellt und stabilisiert werden kann.

Bei dem Verfahren kann das Werkstück als eine der mehreren Elektroden genutzt werden. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Haltemittel für das Werkstück erforderlich. Alternativ ist es möglich, das Werkstück getrennt von den mehreren Elektroden anzuordnen. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Übergänge vermeiden.

Um zumindest eine der mehreren Elektroden beim elektrochemischen Bearbeiten in zweckmäßiger Weise gegenüber dem Werkstück positionieren zu können, sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, daß zumindest eine der mehreren Elektroden mittels einer Handhabungseinrichtung in der elektrolytischen Flüssigkeit positioniert wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zumindest eine der Elektroden mit einem elektrisch nicht leitendem Überzug versehen ist. Auf diese Weise wird die Ausbreitung des Stromfeldes beeinflußt, derart, daß nur die nicht mit einem Überzug versehenen Bereiche der Elektroden einen Stromfluß zulassen, der zur Ausbreitung des Stromfelds beiträgt.

Alternativ oder ergänzend kann bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß in der elektrolytischen Flüssigkeit wenigstens ein Separator angeordnet wird, welcher daß Stromdichte-Feld beeinflußt, in dem er den Stromfluß, d. h. den massegebundenen Stromtransport in der elektolytischen Flüssigkeit, nur durch Öffnungen erlaubt, die in dem Separator vorgesehen sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum elektrochemischen Oberflächenabtragen oder zum galvanischen Abschneiden oder zur Galvanoplastik;
1B eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten eines Werkstücks, wobei eine Elektrode eine bewegbare Mikro-Elektrode ist;
1C eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten eines Werkstücks, wobei eine Elektrode eine Mikro- bzw. Nanoelektrode ist;
2 den zeitlichen Verlauf eines Wechselstroms, der an die zwei Elektroden angelegt ist; und
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten, wobei ein zu bearbeitendes Werkstück als eine der Elektroden genutzt wird.
Gemäß 1 umfaßt eine Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten, insbesondere zum elektrochemischen Form- oder Oberflächenabtragen, galvanischen oder elektrochemischen Abscheiden, zur Galvanoplastik, zur Reduktion von Metalloxid oder zum elektrophoretischen Abscheiden, eine Elektrode 2 und eine weitere Elektrode 3. Die Elektrode 2 und die weitere Elektrode 3 sind in einem Behälter 4 angeordnet, der mit einer elektrolytischen Flüssigkeit 5 gefüllt ist. Die beiden Elektroden 2, 3 tauchen wenigstens teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit 5 ein.
Die Elektrode 2 ist mit einem Anschluß 6 einer Stromquelle 7 verbunden. Die weitere Elektrode 3 ist mit einem weiteren Anschluß 8 der Stromquelle 7 verbunden. Mit Hilfe der Stromquelle 7 können die Elektrode 2 und die weitere Elektrode 3 mit einem Strom beaufschlagt werden, so daß in einem Bereich 9 zwischen den zwei Elektroden 2, 3 ein Stromfeld ausgebildet ist. Die in 1 schematisch gezeigte Vorrichtung kann zum elektrochemischen Form- oder Oberflächenabtragen, galvanischen oder elektrochemischen Abscheiden, zur Galvanoplastik oder zum elektrophoretischen Abscheiden genutzt werden, wenn insbesondere die Stromquelle 7 den beim jeweiligen Verfahren notwendigen Leistungsanforderungen genügt.
Ein zu bearbeitendes Werkstück 10 ist in dem Bereich 9, getrennt von den beiden Elektroden 2, 3 angeordnet. Mit Hilfe der Strombeaufschlagung der beiden Elektroden 2, 3 wird in der elektrolytischen Flüssigkeit 5 eine Ionenbewegung ausgelöst, um Teilchen von einer Oberfläche des Werkstücks 10 abzutragen. Zweck des Abtragens kann das elektrochemische Glänzen, Entgraten, Beizen oder Entmetallisieren des Werkstücks 10 sein. Im Fall des elektrochemischen Formabtragens werden beispielsweise das elektrochemische Senken und Bohren ausgeführt. Der Elektrolyt 5 wird hierbei jeweils so ausgewählt, daß der Abtrag- oder der Abscheidevorgang in Abhängigkeit von einem Material des Werkstücks 10 vorteilhaft ausgeführt wird.
Beim elektrochemischen Bearbeiten wird das Werkstück 10 mit Hilfe eines Haltemittels 11 in dem Stromfeld gehalten, das in dem Bereich 9 zwischen den beiden Elektroden 2, 3 in dem Elektrolyten 5 ausgebildet ist. Das Werkstück 10 kann hierbei mit Hilfe des Haltemittels 11 in verschiedene Bereiche des Stromfelds bewegt werden. Es kann auch teilweise aus dem Stromfeld herausgenommen werden. Des weiteren ist ein Drehen oder eine andere Bewegung des Werkstücks 10 mit Hilfe des Haltemittels 11 in dem Stromfeld möglich. Ferner kann vorgesehen sein, beim Bearbeiten die Elektroden 2, 3 relativ zum Werkstück 10 zu bewegen.
Das Haltemittel 11 ist vorzugsweise aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet. Dieses hat den Vorteil, daß in Grenzbereichen 12 zwischen dem Werkstück 10 und dem Haltemittel 11 elektrische Ströme zwischen dem Haltemittel 11 und dem Werkstück 10 verhindert sind. Wenn es wegen der spezifischen Ausgestaltung des Werkstücks 10 notwendig sein sollte, können weitere Haltemittel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um eine gewünschte Positionierung und Fixierung des Werkstücks 10 beim elektrochemischen Bearbeiten zu gewährleisten. Zum Ausbilden eines für die elektrochemische Bearbeitung geeigneten Stromdichtefelds ist die Elektrode 3 bei der Ausführungsform nach 1A mit einem elektrischen nicht-leitenden Überzug 14 versehen. Der Überzug 14 ist beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem galvanobeständigen bzw. elektrolytbeständigen Lack.
1B zeigt die Vorrichtung 1 nach 1A, wobei anstelle der Elektrode 2 eine bewegbare Elektrode 2' vorgesehen ist. Die Elektrode 2' ist in dem Elektrolyten 5 bewegbar, so daß die Oberfläche des Werkstücks 10 mit einer Spitze 13 der Elektrode 2' abgefahren bzw. gescannt werden kann. Hierdurch kann in Abhängigkeit vom Anwendungsfall ein Abstand der Spitze 13 von der Oberfläche des Werkstücks und die Lage der Spitze 13 zur Oberfläche des Werkstücks 10 optimal angepaßt werden. Gemäß 1B ist zum Ausbilden des geeigneten Stromdichtefelds bei dieser Ausführungsform ein durchbrochener, elektrisch nicht-leitender Separator 16 mit einem Durchbruch vorgesehen, wobei der Durchbruch als virtuelle Elektrode wirkt. Der Separator 16 ist beispielsweise aus einem Kunststoff.
1C zeigt eine Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Oberflächenbearbeiten, wobei im Vergleich zu 1A anstelle der Elektrode 2 eine Mikro- bzw. Nanoelektrode 2" verwendet wird. Mit Hilfe der Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' können kleinste Bereiche der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 10 bearbeitet werden. Die Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' wird zu diesem Zweck in dem zu bearbeitenden Bereich der Oberfläche des Werkstücks 10 positioniert. Hierbei wird die Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' so angeordnet, daß beim Abtragen wegen einer lotrechten Positionierung der Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' zur zu bearbeitenden Oberfläche Reaktionsprodukte durch die von Blasen erzeugte Konvektion abtransportiert werden können. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Werkstücks und einer Spitze 13 kann hierbei nur wenige Nanometer betragen. Sowohl das Werkstück 10 als auch die Elektrode 3 sind gemäß 1C teilweise oberflächenbeschichtet. Der nicht-leitende Überzug 14 an der Elektrode 3 trägt zur zweckmäßigen Ausbildung des Stromfelds bei, indem der Überzug 14 die leitende Oberfläche der Elektrode 3 begrenzt. Der nicht-leitende Überzug 14 ist beispielsweise aus Kunststoff oder einem galvanobeständigen Lack. Ein nicht-leitender Überzug 15, beispielsweise aus einem Photoresist oder einem Photolaminat, an dem Werkstück 10 verhindert lokal die elektrochemische Bearbeitung in den vom Überzug 15 bedeckten Bereichen der Oberfläche des Werkstücks 10, so daß kein Abtrag oder keine Abscheidung stattfinden.
Das elektrochemische Bearbeiten ist dann besonders effizient ausführbar, wenn mit Hilfe der Elektroden 2, 3 das Stromfeld so gestaltet wird, daß in vorgegebenen Bereichen der Oberfläche des Werkstücks 10 die Bearbeitung in der gewünschten Form stattfindet. Zu diesem Zweck können die beiden Elektroden 2, 3 bezüglich ihrer Form und ihrer Größe sowie der verwendeten Materialien der jeweiligen Anwendung entsprechend an die äußere Form und/oder die Materialien des Werkstücks 10 angepaßt werden. Die beiden Elektroden 2, 3 sind hierbei so gestaltet, daß in einzelnen Bereichen der Oberfläche des Werkstücks 10 die elektrochemische Reaktion ablaufen kann, die zu der jeweils beabsichtigten Oberflächenbearbeitung führt. Beispiele für die spezifische Ausbildung der Elektroden der Vorrichtung 1 sowie weitere Vorrichtungen zum elektrochemischen Bearbeiten von Werkstücken sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel „Vorrichtung und Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks" beschrieben, die von der Anmelderin zeitgleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und deren Inhalt in Bezug auf die dort offenbarte neuartigen Vorrichtungen und die beschriebenen Weiterbildungen, insbesondere hinsichtlich der getrennten Ausbildung der Elektroden und des Werkstücks und der Gestaltungsmöglichkeiten der Elektroden, hier mittels Referenz eingefügt wird.
Um eine gewünschte elektrochemische Bearbeitung des Werkstücks 10 zu erreichen, ist vorgesehen, daß die eine Elektrode 2 und die weitere Elektrode 3 alternierend als Anode bzw. Kathode genutzt werden. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe der Stromquelle 7 ein Wechselstrom erzeugt, so daß die Polarität der beiden Elektroden 2, 3 in Abhängigkeit von der Zeit wechselt.
2 zeigt beispielhaft den möglichen Verlauf eines solchen Wechselstroms in Abhängigkeit von der Zeit. Eine obere Kurve 30 stellt den zeitlichen Verlauf des Stromes an der einen Elektrode 2, 2', 2'' (vgl. 1A - 1C) dar. Eine untere Kurve 31 stellt den zeitlichen Verlauf des Stromes an der weiteren Elektrode 3 dar. Während eines Zeitintervalls t₁ weist die eine Elektrode 2 eine positive Polarität auf, wohingegen die weitere Elektrode 3 eine negative Polarität aufweist. Zu einem Zeitpunkt t₂ kehrt sich die Polarität an den beiden Elektroden 2, 2', 2'', 3 um, so daß während eines Zeitintervalls t₃ die eine Elektrode 2, 2', 2'' eine negative Polarität aufweist, wohingegen die weitere Elektrode 3 eine positive Polarität aufweist. Gemäß 2 setzt sich dieser Wechsel der Polarität fort.
Sowohl die Breite der Zeitintervalle t₁, t₃, in denen die eine Elektrode 2, 2', 2'' und die weitere Elektrode 3 eine bestimmte Polarität aufweisen als auch das Frequenzspektrum des Wechselstroms sind in Abhängigkeit von den Parametern des elektrochemischen Bearbeitens wählbar und einstellbar. Der zeitliche Verlauf des Wechselstroms kann hierbei beliebigen Formen genügen, beispielsweise einem Sägezahnverlauf einem sinusförmigen Verlauf, usw. Sind mehr als zwei Elektroden zur Bearbeitung des Werkstücks vorgesehen, so wird die zeitlich alternierende Polarität bezüglich der gewünschten elektrochemischen Reaktion an dem Werkstück optimiert.
Wesentlich für die Auswahl des Verlaufs des zeitlichen veränderlichen Stroms, welcher mit Hilfe wechselnder Polarität der Elektroden 2, 2', 2'', 3 oder gepulsten Strömen gebildet werden kann, ist, daß im zeitlichen Mittel ein äußerer Strom fließt, so daß ein Abtrag/Auftrag mit äußerer Stromquelle 7 stattfindet. Der Abtrag-/Auftragprozeß beruht somit auf einem Stromfluß in dem Stromkreis, welcher die elektrolytische Flüssigkeit 5 und die Stromquelle 7 einbezieht.
Für den Auf-/Abtragprozeß ist es wesentlich, daß in der elektrolytischen Flüssigkeit 5 ein massegebundener Stromtransport stattfindet. Dieses ermöglicht es, mit Hilfe der durch die äußere Stromquelle 7 zu-/abgeführten Ladungen, Metall zu oxidieren und dieses aufzulösen, d. h. Metallionen zu reduzieren und hierdurch Metall abzuscheiden bzw. Metalloxide lokal zu Metall zu reduzieren oder eine Migration von Teilen in der elektrolytischen Flüssigkeit 5 hervorzurufen, wie es beispielsweise bei der Elektrophorese der Fall ist. Die Reduktions- und Oxidationsreaktionen finden hierbei in vielen Fällen im passiven oder transpassiven Bereich der Stromdichte-Spannungs-Charakteristik statt.
Die beschriebene zeitlich alternierende Polarität der Elektroden 2, 2', 2'', 3 kann auch in Verbindung mit Vorrichtungen zum elektrochemischen Bearbeiten des Werkstücks 10 zweckmäßig genutzt werden, bei denen das Werkstück 10 als eine Elektrode ausgebildet ist, die mit einer Gegenelektrode zusammenwirkt. Eine solche Vorrichtung 20 ist in 3 schematisch dargestellt. In 3 wurden für gleiche Gegenstände die gleichen Bezugszeichen wie in den 1A bis 1C verwendet. Es handelt sich in diesem Fall um ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten, wobei eine als Werkstück 10 ausgebildete Elektrode 2' und zumindest eine Gegenelektrode 3 mit einer Stromquelle 7 verbunden sind, so daß die als Werkstück 10 ausgebildete Elektrode 2 und die zumindest eine Gegenelektrode 3 mit einem Strom beaufschlagt werden können, um in einer elektrolytischen Flüssigkeit, in welcher die als Werkstück 10 ausgebildete Elektrode 2' und die zumindest eine Gegenelektrode 3 wenigstens teilweise angeordnet sind, ein Stromfeld zu erzeugen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strom als ein zeitlich veränderlicher Strom ausgebildet ist, so daß die als Werkstück 10 ausgebildete Elektrode 2' während eines Zeitraums t₁ eine Anode und während eines anderen Zeitraums t₃ eine Kathode bildet, und daß die zumindest eine Gegenelektroden 3 während des einen Zeitraums t₁ eine Kathode und während des anderen Zeitraums t₃ eine Anode bildet.
Bei der Vorrichtung 20 kann das Werkstück 10, wie in 3 dargestellt, die eine Elektrode 3 vollständig ersetzten (nicht dargestellt), wobei das Werkstück 10 in diesem Fall mit Hilfe einer Halterung 11 derart gehalten werden muß, daß eine elektrische Verbindung zwischen dem Werkstück 10 und der Stromquelle 7 ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann die vorteilhafte Wirkung der alternierenden Polarität der Elektroden 2, 2', 2'', 3 oder des gepulsten Stroms bei äußerem Stromfluß zur Optimierung des elektrochemischen Abtragens mittels Vorrichtungen genutzt werden, die als solche bekannt sind. Hierdurch wird ein höherer Wirkungsgrad als bei den üblichen Vorrichtungen erreicht und die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks 10 verbessert.
Das beschriebene Verfahren entfaltet die vorteilhaften Wirkungen infolge der zeitlichen Variation des beaufschlagten Stromes insbesondere mit den folgenden elektrochemischen Bearbeitungsverfahren: elektrochemisches Mikro-Form- oder Mikro-Oberflächenabtragen, Mikro-Elektropolieren, elektrophoretisches Mikro-Abscheiden und Mikro-Reduktion oxidischer Metalle/Metallschichten.
Die aufgezeigten Vorteile des Verfahrens ergeben sich sowohl in Verbindung mit Elektrodenanordnungen (vgl. 3), bei denen eine der Elektroden das zu bearbeitende Werkstück ist, als auch mit Elektrodenanordnungen (vgl. 1A, 1B und 1C), bei denen das Werkstück getrennt von den Elektroden in dem Elektrolyten angeordnet ist. Bei der zuletzt genannten Art der Elektrodenanordnung kann eine zeitlich veränderliche Strombeaufschlagung der Elektroden auf einfache Weise auch mittels des Ein- und Ausschaltens der Stromquelle ausgeführt werden. Auch auf diese Weise können beliebige Frequenzspektren der Strombeaufschlagung erreicht werden.
Weitere Möglichkeiten zum Erzeugen beliebiger Frequenzspektren zur Strombeaufschlagung der Elektroden mit einem im zeitlichen Mittel von Null verschiedenen Strom sind in 3 dargestellt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zum elektrochemischen Mikro-Bearbeiten eines Werkstücks (10), wobei mehrere Elektroden zumindest teilweise in einer elektrolytischen Flüssigkeit (5) angeordnet werden und mit einem von einer Stromquelle (7) erzeugbaren Strom so beaufschlagt werden, daß mittels der mehreren Elektroden in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) ein Stromfeld ausgebildet wird, um mit Hilfe einer von den mehreren Elektroden umfaßten Mikro-Bearbeitungselektrode eine Teiloberfläche des Werkstücks (10) lokal zu bearbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom ein zeitlich veränderlicher Strom ist, wobei zeitabhängige Änderungen des Stroms das ausgebildete Stromfeld zeitabhängig verändern und im zeitlichen Mittel ein von Null verschiedener Strom fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitspunkt eingestellt wird, bei dem eine elektrochemische Reaktion zum elektrochemischen Bearbeiten des Werkstücks (10) abläuft, wobei der Arbeitspunkt in einem passiven oder einem transpassiven Bereich einer Stromdichte-Spannungs-Charakteristik liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitspunkt eingestellt wird, bei dem eine elektrochemische Reaktion zum elektrochemischen Bearbeiten des Werkstücks (10) abläuft, wobei der Arbeitspunkt in einem aktiven Bereich einer Stromdichte-Spannungs-Charakteristik liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitabhängigen Änderungen des Stroms genutzt werden, um eine Ausbreitung des Stromfelds zum lokalen Bearbeiten der Teiloberfläche des Werkstücks (10) zu begrenzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom ein zeitlich veränderlicher Gleichstrom ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden der zeitabhängigen Änderungen des Stroms die Stromquelle (7) zu- und abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden der zeitabhängigen Änderungen des Stroms die mehreren Elektroden wiederholt umgepolt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzspektrum des zeitlich veränderlichen Stroms variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitlicher Verlauf des zeitlich veränderlichen Stroms mit Hilfe einer Überlagerung von wenigstens zwei zeitlich veränderlicher Funktionen erzeugt wird, so daß ein beliebiges Frequenzspektrum gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitlicher Verlauf des zeitlich veränderlichen Stroms chaotisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10) als eine der mehreren Elektroden genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10) getrennt von den mehreren Elektroden angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der mehreren Elektroden mittels einer Handhabungseinrichtung in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) positioniert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden mit einem elektrisch nicht-leitenden Überzug versehen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nicht zu bearbeitende Bereiche des Werkstücks mit einem elektrisch nicht-leitenden Überzug versehen sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektrolytischen Flüssigkeit wenigstens ein Separator (16) angeordnet wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum elektrochemischen Mikro-Form- und/oder Mikro-Oberflächenabtragen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum elektrophoretischen Mikro-Abscheiden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Mikro-Elektropolieren.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Mikro-Galvanisieren, wobei das Werkstück (10) zum Zwecke des elektrochemischen Mikro-Bearbeitens leitend gemacht wird oder metallisch leitend ist
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum kathodischen Mikro-Reduzieren eines Metalloxids oder von Metalloxidschichten auf einem Metall.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum galvanischen Mikro-Abscheiden oder zur Mikro-Galvanoplastik, wobei das Werkstück (10) zum Zwecke des elektrochemischen Mikro-Bearbeitens leitend gemacht wird oder metallisch leitend ist.