DE10237324A1

DE10237324A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für die elektrochemische Bearbeitung eines Werkstücks und nach dem Verfahren hergestellte Elektrode

Info

Publication number: DE10237324A1
Application number: DE10237324A
Authority: DE
Inventors: Juergen Oelsch
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: DE10237324B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugelektrode für die elektrochemische Bearbeitung von Werkstücken, vorzugsweise von Bauteilen für Fluidlager mit folgenden Verfahrensschritten: (a) Bereitstellen eines Elektrodenkörpers aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial, der eine im wesentlichen glatte Oberfläche hat; (b) Beschichten der Oberfläche des Elektrodenkörpers mit einem Isoliermaterial; (c) Entfernen des Isoliermaterials in Bereichen der Oberfläche des Elektrodenkörpers, welche einer Struktur entsprechen, die durch elektrochemische Bearbeitung in der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugelektrode für die elektrochemische Bearbeitung von Werkstücken, vorzugsweise von Bauteilen für Fluidlager und nach dem Verfahren hergestellte Werkzeugelektroden.
Hydrodynamische Fluidlager werden beispielsweise in schnell drehenden Festplattenspeichern u. a. wegen ihrer Geräuscharmut und der hohen Stoßfestigkeit zunehmend anstelle von Wälzlagern eingesetzt. Hydrodynamische Fluidlager, auch als fluiddynamische oder hydrodynamische Lager (bzw. Gleitlager) bezeichnet, bestehen aus mindestens einem feststehenden und einem rotierenden Bauteil, deren aktive Oberflächen durch einen mit Schmiermittel, vorzugsweise Öl gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind.
Zum Aufbau des hydrodynamischen Druckes im Lagerspalt ist wenigstens eine der Lageroberflächen mit einer rillen- bzw. grabenförmigen Struktur verstehen. Dabei entsteht infolge der rotatorischen Relativbewegung der in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Bauteiloberflächen eine Art Pumpwirkung, so dass sich ein gleichmäßig dicker und homogener Schmierfilm ausbilden kann, der durch entsprechende Zonen hydrodynamischen Druckes stabilisiert wird.
Vermittels solcher hydrodynamischer Lager, bei deren Herstellung die Erfindung zur Anwendung gelangt, kann eine hochpräzise Drehführung eines elektromotorisch angetriebenen und mit hoher Drehzahl relativ zu einem feststehenden Stator umlaufenden Rotors erreicht werden.
In einem Ausführungsbeispiel besteht ein solches Fluidlager aus einer mit einer Stirnplatte versehenen Welle, einer die Welle umgebenden Hülse und einer als Widerlager ausgebildeten, an der Hülse befestigten Gegenplatte. Je nachdem, ob die Welle feststeht oder dreht, weist wenigstens eine der Oberflächen von Stirn- und 1 oder Gegenplatte und von Welle oder Hülse eine entsprechende Rillen- oder Grabenstruktur auf, welche mit der erfindungsgemässen Elektrode durch elektrochemische Bearbeitung hergestellt werden kann.

Im Stand der Technik war es zunächst bekannt, die Rillenstrukturen durch mechanisches Abtragen von Material von der präzise vorbearbeiteten Oberfläche des Lagers oder durch plastisches Einformen auszubilden. Bei beiden Verfahren wird durch einen mechanischen Prozeß das Material im Bereich der Struktur entfernt und verdrängt. Nachteil dieses mechanischen Bearbeitungsprozesses ist, daß es durch das Abtragen oder Verdrängen des Materials zu Materialaufwerfungen in den Kantenbereichen der Strukturen kommt, die anschließend in einem relativ aufwendigen Nachbearbeitungsprozeß wieder entfernt werden müssen.

Hierbei ist zu beachten, dass die Rillenstrukturen in hydrodynamischen Fluidlagern sehr klein und filigran sind und mit hoher Genauigkeit, im Bereich von 1 bis 2 µm, hergestellt werden müssen.

Die Ausbildung dieser Rillenstruktur ist neben der Viskosität des Schmiermittels und der Dicke des Schierfilms entscheidend für die Lagersteifigkeit des hydrodynamischen Lagers. Eventuelle Massabweichungen infolge ungenügender Präzision bei der Herstellung des Rillenmusters führen zu Druckdifferenzen bzw. Druckschwankungen und beeinträchtigen unmittelbar die Laufgenauigkeit des Motors.

Um eine möglichst hohe Lagersteifigkeit zu erzielen, ist man bestrebt, die Schmierfilmdicke zu minimieren. Daraus resultiert die Forderung, dass der Lagerspalt, also der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Lagerflächen möglichst klein sein soll. Es ist daher zwingend erforderlich, die Rillenstrukturen mit äußerster Präzision und geringsten Abmessungstoleranzen insbesondere ohne Kantenaufwerfung herzustellen.

Die DE 199 50 483 A1 beschreibt neben der mechanischen Bearbeitung der Oberflächen in hydrodynamischen Fluidlagern eine alternative Art der Bearbeitung, bei der die Lageroberfläche eines Fluidlagers beschichtet wird und die gewünschten Lagerstrukturen durch einen energetischen Strahl, insbesondere einen Laserstrahl, in die Beschichtung eingebracht wird.

Ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung einer Rillenstruktur in einer Lagerfläche eines hydrodynamischen Fluidlagers ist in der US 6,267,869 B1 beschrieben. Diese Druckschrift geht aus von einem Stand der Technik, bei dem die strukturierte Lagerfläche eines hydrodynamischen Lagers durch elektrochemisches Ätzen hergestellt wird, indem eine Elektrode und die Lagerfläche in eine Salzlösung getaucht werden, eine geeignete Potentialdifferenz aufgebaut wird und die Elektrode die auszubildende Struktur nachfährt und dadurch nach Art eines Pinsels die Lagerfläche ausbildet. Bei diesem Prozeß werden zwar Materialaufwerfungen an den Kanten der Rillenstruktur vermieden, er ist jedoch noch immer sehr langsam und aufwendig.

Die US 6,267,869 B1 schlägt daher vor, eine flächige Elektrode vorzusehen, die im wesentlichen die gesamte Fläche eines Fluidlagers abdeckt, und in der eine entsprechende Rillenstruktur ausgebildet ist, die der in der Lagerfläche ausgebildeten Rillenstruktur spiegelbildlich entspricht. Werkstück und Elektrode werden in einem genau definierten gegenseitigen Abstand in einen mit einem Elektrolyten befüllten Behälter eingebracht.

Durch Anlegen einer Potentialdifferenz, wobei das Werkstück als Anode, die Werkzeugelektrode als Kathode geschaltet sind, wird ein elektrochemischer Ätzprozess ausgelöst.

Während der Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden hindurchströmt, wird gemäß dem Faraday'schen Gesetz, Atom um Atom aus der Oberfläche des Werkstücks herausgelöst. Hierbei ist das Gewicht des gelösten Metalls der zwischen Kathode und Anode ausgetauschten Ladung äquivalent.

Mit diesem, in der Branche von Unternehmen wie "Extrude Hone", Irwin, Pennsylvania, USA oder "Loadpoint Ltd." aus Swindon, Wiltshire, GB, als ECM (Electro Chemical Machining) oder EMM (Electro Micro Machining) bezeichneten Verfahren, kann die gesamte Rillenstruktur auf der Oberfläche einer Welle, einer Hülse, einer Gegenplatte etc. in einem Verfahrensschritt ausgebildet werden, indem die Oberfläche der Werkzeugelektrode entsprechend der gewünschten Rillenstruktur, die auf der betreffenden Lagerfläche ausgebildet werden soll, gestaltet wird.

In der US 6,267,869 B1 ist beschrieben, daß die Werkzeugelektrode durch mechanisches Bearbeiten gestaltet werden kann, wobei hierbei zwar wieder das Problem von Materialaufwerfungen entstehen kann, aufgrund der mehrfachen Verwendung der Elektrode der Aufwand für die Nachbearbeitung jedoch relativiert wird. Nach der mechanischen Bearbeitung wird die Werkzeugelektrode in eine isolierende Kunststoffmasse, beispielsweise in ein Zweikomponentenharz eingebettet, um sicherzustellen, dass der Ladungstransport nur im Bereich der "aktiven" also freien Elektrodenfläche erfolgt, da andernfalls durch parasitären Ladungsaustausch auch die umgebenden Flächen unerwünscht angeätzt würden.

Auf die US 6,267,869 B1 wird, insbesondere soweit diese die Verwendung der Elektrode zur Herstellung der Lagerflächen betrifft, Bezug genommen.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren für die Herstellung einer Werkzeugelektrode zur Ausbildung einer Rillenstruktur eines hydrodynamischen Fluidlagers besteht noch immer das Problem, daß die Herstellung derartiger Elektroden zeitaufwendig und kostenintensiv ist, insbesondere wenn Mikrostrukturen mit hoher Präzision hergestellt werden sollen und die Oberfläche der Elektrode gekrümmt ist. Die Gefahr von Beschädigungen solcher Elektroden ist auch bei sorgfältiger Handhabung sehr groß. Die strukturierte Elektrodenoberfläche besteht z. B. aus Kupfer, Messing, Aluminium oder Nickel, das relativ weich und daher mechanisch leicht zu beschädigen ist. Durch die hohe Strombelastung heizt sich das Elektrolyt auf 80°C bis 100°C auf, was zu einer erheblichen thermischen Belastung der Elektrode, und wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von metallischem Elektrodenwerkstoff und isolierendem Kunststoff zu einer Lockerung des Verbundes und schließlich zum Bruch oder zum Abplatzen der Isolierung führt.

Mit einer Elektrode der beschriebenen Art lassen sich in der Regel nicht mehr als etwa 50.000 Lagerflächen bearbeiten, was weniger als einer Tagesproduktion entspricht. Naturgemäß ist jede Elektrode ein Unikat und aufgrund der mechanischen Bearbeitung der Elektrodenoberfläche ist eine Duplizierung ihrer Oberflächenstruktur nur innerhalb bestimmter Fertigungstoleranzen möglich.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Herstellung einer Elektrode der oben beschriebenen Art sowie eine entsprechende Elektrode anzugeben, welche die beschriebenen Probleme vermeiden und bei denen insbesondere eine Elektrode mit geringem Aufwand hoch präzise und reproduzierbar herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch eine Elektrode gemäß Anspruch 17 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere einer zu strukturierenden Oberfläche eines Fluidlagers, wird zunächst ein Elektrodenkörper aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial bereitgestellt, der eine im wesentlichen glatte Oberfläche hat. Das Trägermaterial kann bei einer Ausführungsform Kupfer aufweisen und mit einer Aluminiumschicht beschichtet sein. Der Elektrodenkörper kann bei einer anderen Ausführungsform auch direkt aus Aluminium oder überwiegend aus Aluminium hergestellt sein. Auch geeignete Kupfer- und Aluminiumlegierungen können verwendet werden.

Anschließend wird die Oberfläche des Elektrodenkörpers mit einem vorzugsweise anorganischen Isoliermaterial beschichtet, wobei das Isoliermaterial insbesondere eine Keramikschicht oder eine keramikähnliche Schicht ist. Die Keramikschicht wird auf die Oberfläche des Elektrodenmaterials vorzugsweise durch Aufwachsen aufgebracht, weshalb es zweckmäßig ist, daß diese Oberfläche aus Aluminium besteht oder mit Aluminium beschichtet ist, wie unten im einzelnen erläutert ist.

Anschließend wird in den Bereichen auf der Oberfläche des Elektrodenkörpers, welche der Struktur entsprechen, die durch elektrochemische Bearbeitung in der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll, das Isoliermaterial entfernt. Dies kann insbesondere durch Laserbearbeitung erfolgen, wobei der Laser vorzugsweise durch die Keramik- oder Isolierschicht bis zur Oberfläche des Elektrodenkörpers, der unter den genannten Bereichen liegt, vordringt und auch ein Teil des Grundwerkstoffes entfernt.

Auf die beschriebene Weise wird in dem Isoliermaterial, das über der Oberfläche des Elektrodenkörpers liegt, eine Grabenstruktur ausgebildet, die bis wenigstens zur Oberfläche des Elektrodenkörpers reicht und einer Struktur entspricht, die später durch elektrochemisches Bearbeiten der Oberfläche des Werkstücks mit dieser Elektrode ausgebildet werden soll.

Vorzugsweise wird die Grabenstruktur, die ein Spiegelbild der späteren Werkstückoberfläche bildet, mit einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, wie Nickel, Kupfer oder Aluminium, gefüllt. Dieser Werkstoff kann durch chemische oder galvanochemische Verfahren auf den "aktiven" Elektrodenoberflächen, die von der isolierenden Keramikschicht befreit worden sind, aufgebracht werden. Die Elektrode ist jedoch auch schon ohne das Auffüllen der Grabenstruktur funktionsfähig.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die gewünschte Struktur in der Elektrodenoberfläche hoch präzise und reproduzierbar hergestellt werden kann. Insbesondere können durch die abtragende Bearbeitung der Keramikschicht mittels Laser präzise Konturen gut beherrschbar und reproduzierbar hergestellt werden. Während nämlich beispielsweise Metall bei Laserbearbeitung sich zunächst verflüssigt und sich anschließend ein Gas bildet, so daß es schwierig ist, präzise Kanten herzustellen, geht die Keramik sofort in Gasform über, so daß eine genaue Konturierung realisiert werden kann. Ferner kann durch das beschriebene Verfahren eine Elektrode hergestellt werden, die eine ebene, verschleißfeste Oberfläche aufweist, die im wesentlichen durch die harte, verschleißfeste Keramikschicht gebildet wird, welche insbesondere dann, wenn die Grabenstruktur mit dem elektrisch leitenden Werkstoff aufgefüllt ist, wiederum eine ebene und damit strömungstechnisch günstigere Oberfläche ohne mechanische Angriffspunkte bildet, die zudem noch beständig gegen Verschleiß ist.

Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Ausbildung der Struktur in der Elektrodenoberfläche durch Laserbearbeitung einfacher und besser beherrschbar als die mechanische Bearbeitung beispielsweise gemäß der US 6,267,869 B1. Da nicht unmittelbar die Metalloberfläche der Elektrode, sondern eine isolierende Keramikschicht bearbeitet wird, welche die Metalloberfläche ganzflächig bedeckt, um dann die gewünschte Struktur freizulegen, wird es möglich, einen Laser zu diesem Zweck beherrschbar einzusetzen. Durch die Kombination der harten, verschleißfesten Keramikschicht und der gefüllten Grabenstruktur ergibt sich eine glatte Elektrodenoberfläche, die relativ unempfindlich gegen mechanische Einwirkungen ist. Das isolierende Keramikmaterial erfüllt gleichzeitig die Funktion der elektrischen Trennung der "aktiven" Elektrodenflächen und des mechanischen Schutzes der Elektroden-Oberfläche.

Eine mechanische Nachbearbeitung aufgrund von Materialaufwerfungen oder dergleichen ist nicht notwendig.

Die Grabenstruktur, die vorzugsweise mit einem elektrisch leitenden Werkstoff wenigstens teilweise gefüllt ist, kann zusätzlich mit einem Edelmetall, wie Silber, Gold oder Platin, beschichtet werden, um das Metall in der Grabenstruktur gegen Oxidation zu schützen.

Die erfindungsgemäße Elektrode ist im Vergleich zum Stand der Technik mit größerer Präzision herstellbar. Da die keramik-ähnliche Schicht durch Umwandlung eines Teils der die Elektrodenoberfläche bedeckenden Aluminiumschicht entsteht, mit der verbleibenden, nicht umgewandelten Aluminiumschicht also einen homogenen Verbund bildet, ist die Haftung der keramik-ähnlichen Schicht auf dem Aluminium auch bei hohen Temperaturen (bis 300°C) beständig; eine Ablösung, wie sie z. B. bei einem Zweikomponentenexposidharz beobachtet wird, findet nicht statt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Oberfläche des Elektrodenkörpers zunächst nicht mit einem Keramikmaterial, sondern mit einem anderen Isoliermaterial, beispielsweise einer Kunststoffschicht und insbesondere einer Fotolackschicht beschichtet. In dieser Kunststoffschicht wird beispielsweise durch an sich bekannte Verfahren, wie Ätzen, Laserbearbeitung oder durch eine Photoresisttechnik, eine Grabenstruktur ausgebildet, die wie oben beschrieben gestaltet ist, und die anschließend mit einem elektrisch gut leitenden Werkstoff aufgefüllt wird. Nach dem Auffüllen der Grabenstruktur wird die Kunststoffschicht entfernt und durch ein hartes, verschleißfestes Keramikmaterial oder keramikähnliches Material ersetzt, so daß sich im Ergebnis die gleiche Struktur wie oben beschrieben ergibt.

Die Erfindung sieht auch eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks sowie ein Verfahren zur Herstellung eines hydrodynamischen Fluidlagers unter Verwendung einer solchen Elektrode vor.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei:
Fig. 1A bis 1D zeigen schematisch vier Verfahrensschritte zur Herstellung einer Elektrode gemäß der Erfindung;
Fig. 2A und 2B zeigen ein Werkstück, dessen Oberfläche mit der Elektrode der Fig. 1D elektrochemisch bearbeitet wird, vor bzw. nach der Bearbeitung;
Fig. 3A bis 3G zeigen sieben Schritte eines alternativen Verfahrens zur Herstellung einer Elektrode gemäß der Erfindung;
Fig. 4A bis 4C zeigen vier Schritte einer weiteren Ausführungsform zur Herstellung einer Elektrode gemäß der Erfindung.
Die Fig. 1A bis 1D zeigen in stark vereinfachter Form eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Elektrode gemäß der Erfindung, welche zur elektrochemischen Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks verwendet werden kann.
Das Verfahren geht aus von einem Elektrodenkörper 10, dessen Größe und äußere Gestalt an die Oberfläche des später zu bearbeitenden Werkstückes, beispielsweise die Lagerfläche eines hydrodynamischen Fluidlagers, angepaßt ist. Bei der hier beschriebenen Verfahrensvariante besteht der Elektrodenkkörper 10 aus Aluminium oder aus einer handelsüblichen Aluminiumlegierung wie z. B. AlMgSi.
Es kann jedoch auch ein anderer, elektrisch gut leitender metallischer Werkstoff, wie z. B. Kupfer verwendet werden.
Wichtig bei der Wahl des Werkstoffes ist, dass sich die Oberfläche des Elektrodenkörpers 10 mit einer dünnen, aber harten und verschleissfesten, insbesondere aber gut isolierenden Keramik- oder keramikähnlichen Schicht versehen lässt. Fig. 1B zeigt den mit der Keramikschicht, z. B. mit Al₂O₃, überzogenen Elektrodenkörper 10. In der Praxis kann die Keramikschicht beispielsweise ähnlich einer HART-COAT®-Schicht sein, die von der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG, Ebersbach/Fils, Deutschland vertrieben wird. HART-COAT® ist eine hart-anodische Oxidation, die in der Regel dazu verwendet wird, Aluminiumwerkstoffe vor Verschleiß und Korrosion mit einer harten keramikähnlichen Schicht zu schützen. HART-COAT®-Schichten werden durch anodische Oxidation in einem Säureelektrolyten auf Aluminium gebildet; dabei wandelt sich der Grundwerkstoff Aluminium an seiner Oberfläche mit Hilfe von elektrischem Strom in eine schützende Aluminiumoxidschicht um, wobei die entstehende Keramikschicht infolge der Volumenzunahme bei der Umwandlung eines Teils der Aluminiumschicht zum Teil auf die ursprüngliche Oberfläche aufwächst, zum andern Teil in den Grundwerkstoff hineindiffundiert.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene HART-COAT®-Schicht beschränkt, sondern umfaßt sämtliche verschleißfeste Isoliermaterialien, insbesondere Keramik und keramikähnliche Schichten und insbesondere solche, die sich zum Aufwachsen auf elektrisch leitenden Metallen wie vorzugsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen eignen.
Nach dem Ausbilden der Keramikschicht 12 wird in dieser, wie in Fig. 1C gezeigt, durch partielles Entfernen von Keramikmaterial, beispielsweise durch Laserbearbeitung, eine Grabenstruktur 14 ausgebildet, deren Gestalt einer Struktur entspricht, die später durch die elektrochemische Bearbeitung in der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll. Die Gräben der Grabenstruktur 14 werden mindestens so tief ausgebildet, daß die Keramikschicht 12 vollständig entfernt wird, vorzugsweise ist ihre Tiefe größer als die Dicke der Keramikschicht, so dass zumindest auch ein Teil des Elektrodenkörpers entfernt wird. Dadurch wird sichergestellt, daß das gut leitende Material des Elektrodenkörpers, wie Kupfer oder Aluminium, freigelegt ist, um "aktive" Elektrodenbereiche 16 zu bilden. Fig. 1C zeigt bereits eine voll funktionsfähige Elektrode mit Elektrodenbereichen 16, welche zum elektrochemischen Bearbeiten der Oberfläche eines Werkstücks verwendet werden kann.
Vorzugsweise wird jedoch die Grabenstruktur 14 mit einem gut leitenden Werkstoff 18, wie Kupfer, Nickel oder Aluminium, wieder aufgefüllt, um die Leistungsfähigkeit der fertigen Elektrode zu erhöhen und die mechanische Stabilität der Elektrodenoberfläche zu verbessern, und um den Strömungswiderstand der Elektrode für den ECM-Prozess zu minimieren. Während in Fig. 1D der gut leitende Werkstoff 18 die Gräben 14 nicht vollständig füllt, kann bei einer anderen Ausführungsform die Oberfläche der Elektrode vollständig plan sein, indem entweder die Gräben 14 mit dem gut leitenden Werkstoff 18 oder einer Veredelungsschicht, bspw. aus Gold, vollständig gefüllt oder die Elektrodenoberfläche nachbearbeitet und eingeebnet wird.
Der elektrisch leitende Werkstoff 18, wie Kupfer, Nickel oder Aluminium, wird auf den Elektrodenbereichen 16 in der Grabenstruktur 14 vorzugsweise chemisch und/oder elektrochemisch aufgetragen. Hierzu eignet sich z. B. das unter der Bezeichnung DURNI-COAT® bekannte stromlose Vernickelungsverfahren der Firma AHC Oberflächentechnik. Selbstverständlich liegen sämtliche Verfahren zur chemischen oder elektrochemischen Beschichtung mit gut leitenden Werkstoffen, wie Kupfer, Nickel, Gold oder andere im Bereich der Erfindung, desgleichen auch die Kombination von chemischen und elektrochemischen Beschichtungsverfahren.
Fig. 2A und 2B zeigen, wie ein Werkstück 20 mit der erfindungsgemäßen Elektrode bearbeitet wird. Das Werkstück 20 besteht beispielsweise aus Stahl, vorzugsweise nicht rostendem Edelstahl und hat eine im wesentlichen glatte Oberfläche, in der beispielsweise eine Rillenstruktur für ein hydrodynamisches Fluidlager ausgebildet werden soll. Die Grabenstruktur 14 entspricht spiegelbildlich der in der Oberfläche des Werkstücks 20 auszubildenden Rillenstruktur 26. Die Elektrode wird der Oberfläche des Werkstücks 20 gegenüberliegend dort positioniert, wo die Rillenstruktur ausgebildet werden soll, und Werkstück 20 und Elektrode werden in einem Elektrolytbad relativ zueinander unbeweglich gehalten. Die Elektrolytströmung ist durch einen mit E bezeichneten Pfeil gekennzeichnet. Der unveränderliche Abstand zwischen Elektrode und Werkstück 20 ist mit d bezeichnet. Zwischen Elektrode und Werkstück 20 wird eine Gleichstromquelle 22 angeschlossen und ein Gleichstromkreis wird über einen Zeit- oder ladungsgesteuerten Schalter 24 geschlossen. Durch den Ladungstransport im Elektrolyten findet ein Jonenaustausch (Ladungstransport) zwischen Werkzeugelektrode und Werkstück 20 statt. Dadurch wird das Material des Werkstückes an den Stellen, die den am Ladungsaustausch beteiligten "aktiven" Elektrodenbereichen gegenüberliegen, Atom für Atom aus der Werkstückoberfläche herausgelöst, so dass schließlich die in Fig. 2B gezeigte Rillenstruktur 26 entsteht. Diese Rillenstruktur 26 ist ein spiegelbildliches Abbild der "aktiven" Elektrodenfläche, also der nicht mit einer Isolationsschicht bedeckten Elektrodenoberfläche und entspricht damit der ursprünglichen Grabenstruktur 14 der Werkzeugelektrode.
Die Tiefe "t" der Rillen 26 ist von diversen Prozessparametern des zur Anwendung kommenden ECM-Verfahrens abhängig und im wesentlichen zu der transportierten elektrischen Ladung proportional.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode gemäß der Erfindung ist in den Fig. 3A bis 3G schematisch dargestellt.
Fig. 3A zeigt einen Ausschnitt eines Elektrodenkörpers 10 aus Kupfer vor und nach einer Oberflächenbearbeitung, die dazu dient, dem Elektrodenkörper die richtigen Abmessungen, Oberflächenbeschaffenheit etc. zu verleihen. In Fig. 3B ist auf dem Elektrodenkörper 10 aus Kupfer eine Aluminiumschicht 11 gezeigt, die beispielsweise eine Galvano- Aluminiumschicht sein kann, wie sie in der EP 0 048 604 A2 in anderem Zusammenhang beschrieben ist. In einem galvanischen Prozeß wird eine dünne Schicht "Galvano- Aluminium" auf dem Kupferkörper abgeschieden. Solche Prozesse werden z. B. auch von der Firma Rasant-Alcotec Beschichtungstechnik GmbH, Overath, Deutschland angeboten.
Wie in Fig. 3C gezeigt, wird ein Teil dieser Galvano-Aluminiumschicht 11 mit einem der oben beschriebenen Verfahren in eine isolierende Keramikschicht (Al₂O₃) oder eine keramikähnliche Schicht 12 umgewandelt. Dieser Prozess ist mit einer Volumenzunahme verbunden, wobei sich die Gesamtschichtdicke aus einem aufwachsenden Anteil (ca. 30-50%) und einem "eindringenden" Diffusionsanteil (70-50%) zusammensetzt. Anschließend wird, wie in Fig. 3D gezeigt, die beschichtete Oberfläche z. B. mit einem Laserstrahl bearbeitet, um eine Grabenstruktur zu bilden, bei der das Material des Grundkörpers 10 freigelegt wird. Diese Grabenstruktur 14 entspricht, wie oben beschrieben, spiegelbildlich der später in dem Werkstück auszubildenen Struktur.
Die Grabenstruktur 14 wird dann, wie in Fig. 3E gezeigt, vorzugsweise mit einem gut leitfähigen Werkstoff, bei der gezeigten Ausführungsform Kupfer, wobei aber auch Nickel, Aluminium oder dergleichen gewählt werden kann, gefüllt, wobei vorzugsweise ein stromloser chemischer Ablagerungsprozeß verwendet wird, weil dieser einen besonders gleichmäßigen Auftrag des Werkstoffs ohne Kantenaufbau gewährleistet. Selbstverständlich liegen jedoch auch andere Verfahren zum Aufbringen des Kupfers, insbesondere elektrochemische Verfahren im Bereich der Erfindung. Die "Füllung" der Gräben 14 kann geringer als die Grabentiefe, gleich der Grabentiefe oder höher als die Grabentiefe sein, je nach gewünschter Ausführung der Elektrode. Dies ist in Fig. 3E durch zwei unterschiedliche Grabenfüllungen 18 schematisch dargestellt.
In Fig. 3F ist gezeigt, daß auf den gut leitenden Werkstoff 18, welcher die Grabenstruktur 14 füllt, noch eine Veredelungsschicht 30, beispielsweise aus Gold, Platin, oder einem anderen Edelmetall, aufgebracht wird. Diese Veredelungsschicht 30 ist optional und kann insbesondere verhindern dass die "aktiven" Bereiche des Elektrodenwerkzeugs oxidieren.
Die fertige Elektrode kann dann, wie in Fig. 3 G gezeigt, noch nachbearbeitet, z. B. plan geschliffen, imprägniert oder auf andere Weise bearbeitet werden, insbesondere um eine vollständig ebene und sehr harte Elektrodenoberfläche zu schaffen, die extrem verschleißbeständig ist, und die eine sehr geringen Strömungswiderstand aufweist.
Die Fig. 4A bis 4D zeigen schließlich noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode.
In Fig. 4 wird ausgehend von einem aluminiumbeschichteten Elektroden-Grundkörper 10, der wie oben beschrieben hergestellt und vorbearbeitet werden kann, auf der Außenseite der Elektrode, auf der die Grabenstruktur ausgebildet werden soll, eine organische Schicht 32, vorzugsweise Fotolack, gleichmäßig aufgebracht. Der Elektrodenkörper kann selbstverständlich auch insgesamt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, und der Grundkörper 10 kann auch aus einem anderen geeigneten Material als Kupfer bestehen, wobei dies selbstverständlich auch für die oben beschriebenen Ausführungsformen gilt.
Wie in Fig. 4B gezeigt, wird beispielsweise mittels Laserbearbeitung durch die Lackschicht 32 und die Aluminiumschicht 12 hindurch eine Grabenstruktur 14 in dem solcherart beschichteten Elektrodenkörper 10 ausgebildet, die ebenso wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Schichten bis auf den Grundkörper 10 der Elektrode durchdringt.
Diese Grabenstruktur 14 wird mit einem gut leitenden Werkstoff 34, wie Kupfer oder Nickel, beispielsweise auf eine der oben beschriebenen Weisen, gefüllt, wobei die gefüllte Grabenstruktur 34, 14 die aktiven Bereiche der späteren Elektrode bildet, siehe Fig. 4C.
Anschließend wird die Fotolack-Schicht 32 entfernt und die Zwischenräume zwischen den gefüllten Gräben 14, 34 werden durch Aufwachsen einer Keramikschicht 36 oder keramikähnlichen Schicht, insbesondere gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren, "aufgefüllt", so daß schließlich eine Struktur wie die in Fig. 3D gezeigte entsteht.
Selbstverständlich können Nachbearbeitungs- und Veredelungsschritte wie oben beschrieben zur Einebnung der Elektrodenoberfläche, Versiegelung etc. folgen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein. Bezugszeichenliste 10 Elektrodenkörper
12 Keramikschicht
14 Grabenstruktur
16 Elektrodenbereich
18 Werkstoff
20 Werkstück
22 Gleichstromquelle
24 Schalter
26 Rillenstruktur
30 Veredelungsschicht
32 Fotolack, Lack
34 Werkstoff
36 Keramikschicht

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für die elektrochemische Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines Werkstücks mit einer strukturierten Oberfläche für ein Fluidlager mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen eines Elektrodenkörpers aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial, der eine im wesentlichen glatte Oberfläche hat;

b) Abdecken der Oberfläche mit einer Isolationsschicht,

c) Partielles Freilegen des Elektrodengrundkörpers durch Entfernen der Isolationsschicht, wodurch eine Struktur entsteht, die derjenigen entspricht, die durch elektrochemische Bearbeitung auf der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial überwiegende aus Kupfer besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Elektrodenkörpers aus dem elektrisch leitenden Trägermaterial vor dem Schritt (b) mit einer Aluminiumschicht beschichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial überwiegend aus Aluminium besteht.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht auf der Oberfläche des Elektrodenkörpers in Schritt (b) als eine verschleißfeste Keramik-ähnlichen Schicht ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das partielle Entfernen der Keramik-ähnlichen Schicht im Schritt (c) durch Laserbearbeitung erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Laserbearbeitung auch ein Teil der Oberfläche des Elektrodenkörpers, der unter den genannten Bereichen liegt, entfernt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche auf der Oberfläche des Elektrodenkörpers, in denen das Isoliermaterial im Schritt (c) entfernt wurde, eine Grabenstruktur bilden, die mit einem elektrisch leitenden Werkstoff wenigstens teilweise gefüllt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des elektrisch leitenden Werkstoffs in die Grabenstruktur durch ein chemisches oder galvano- chemisches Verfahren erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Werkstoff überwiegend aus Kupfer, Nickel und/oder Aluminium besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik-ähnliche Schicht durch teilweise Umwandlung und Einlagerung von Aluminium entsteht und dabei auf des Aluminium aufwächst.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Elektrodenkörpers in Schritt (b) mit einer Kunststoffschicht, insbesondere einer Photolackschicht, abgedeckt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das partielle Entfernen der Kunststoffschicht im Schritt (c) durch ein Lösungsmittel oder durch Laserbearbeitung erfolgt.

14. Verfahren Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Bereiche der Oberfläche des Elektrodenkörpers, von denen das Isoliermaterial im Schritt (c) partiell entfernt wurde, eine Grabenstruktur bilden, die mit einem elektrisch gut leitenden Werkstoff aufgefüllt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auffüllen der Grabenstruktur mit dem elektrisch gut leitenden Werkstoff die Kunststoffschicht entfernt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Entfernen der Kunststoffschicht freigelegte Oberfläche des Elektrodenkörpers im Raum zwischen dem elektrisch gut leitenden Werkstofferhebungen mit einer verschleißfesten Keramikähnlichen Isolationsschicht abgedeckt wird.

17. Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem Elektrodenkörper aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial, welches flächig mit einer keramik-ähnlichen Schicht, einer Keramikschicht oder einer oxidkeramischen Schicht abgedeckt ist, in der durch partielles Freilegen des Elektrodenkörpers eine Art Grabenstruktur gebildet ist, die einer Struktur entspricht, die durch die elektrochemische Bearbeitung auf der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll.

18. Elektrode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Grabenstruktur mit einem elektrisch leitenden Werkstoff wenigstens teilweise gefüllt ist.

19. Elektrode nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkörper aus einem Aluminiummaterial als Trägermaterial besteht oder mit einem Aluminiummaterial beschichtet ist.

20. Elektrode nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Werkstoff in der Grabenstruktur zusätzlich mit einem Edelmetall, insbesondere Gold oder Platin, beschichtet ist.

21. Elektrode nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Keramikschicht und der gefüllten Grabenstruktur gebildete Oberfläche der Elektrode eine gemeinsame stufenfreie Oberfläche bildet

22. Werkzeug zur Bearbeitung der Oberfläche eines hydrodynamischen Fluidlagers gekennzeichnet durch eine Elektrode nach einem der Ansprüche 17 bis 21.

23. Verfahren zur Herstellung eines hydrodynamischen Fluidlagers, bei dem wenigstens eine der Lagerflächen mit einer Rillenstruktur ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillenstruktur durch ein elektrochemisches Verfahren mit einer Elektrode nach einem der Ansprüche 17 bis 21 hergestellt wird.