WO2006058575A2 - Verfahren zum elektro-chemischen bearbeiten eines werkstücks und elektrode für ein solches verfahren - Google Patents

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WO2006058575A2
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    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to various methods of electrochemical machining of a workpiece. Furthermore, the invention relates to methods for producing a tool to be used as an electrode in an electrochemical machining process, which is intended for the electrochemical machining of a workpiece. In addition, the invention relates to electrodes intended for use in a process for the electrochemical machining of a workpiece.
  • Electrodes for the spark erosion process are produced today by milling graphite or copper, since these materials show a burn-off behavior favorable for spark erosion. Other materials are only very suitable for this purpose.
  • a disadvantage of spark erosion is that the electrodes are subject to material wear and the processing of a workpiece takes a long time and is therefore expensive. Accordingly, this method is used only for very specific workpieces. An economical serial machining of workpieces is rather unrealizable.
  • Elysieren which is also referred to as electro-chemical milling (ECM process)
  • ECM process electro-chemical milling
  • the DC current flowing between the workpiece and the tool shapes the workpiece to the predetermined shape by dissolving out material particles.
  • an electrolyte is brought through an insulated nozzle to a speed of up to 30 m / s and achieves very high removal rates at current densities of 250 A / cm 2 .
  • the workpiece to be machined is an electrode
  • the other electrode is the tool having the desired shape on the workpiece, so that the desired corresponding removal takes place on the workpiece.
  • the Elysieren or ECM method has often been used only for very specific components, in particular for the effective deburring of metallic series components or for
  • GB 2 096 518 A discloses a method and apparatus for electrically working a workpiece.
  • a so-called EDM method and an ECM method using a strong electrolyte are combined with each other.
  • the workpiece as well as a tool used here for forming the workpiece sin, d are not explained in detail.
  • electrodes only conventional copper-graphite wires or tungsten electrodes are mentioned.
  • DE 101 11 019 A1 discloses an apparatus and a method for structuring a surface of an electrically conductive object connected as anode by means of a device
  • the disclosed ECM system has an anode and a cathode, and between the cathode and the surface to be structured is an electrolyte.
  • the structure on the surface of the article is made by means of a mask integrated in the ECM system. It is also disclosed that the cathode, the mask and the surface to be structured can be pressed as a sandwich.
  • DE 102 37 324 A1 discloses a method for producing an electrode for the electrochemical machining of a workpiece and an electrode produced by the method.
  • an electrode body made of an electrically conductive carrier material is coated on the surface with an insulating material. Then, the insulating material is removed in areas of the surface of the electrode body which correspond to a structure to be formed by electrochemical machining in the surface of the workpiece.
  • EP 0 223 401 A1 shows a partially conducting cathode for electrochemical machining.
  • the cathode includes a processing surface of which at least a portion of nonconductive and conductive materials stacked together is selected, wherein the spacing and thickness of the nonconductive and conductive materials are selected such that excessive ablation at a convex radius of the Workpiece surface is reduced.
  • PEM process is an adaptation of the classical electrochemical process. This process has been developed by the company PEM TECH GmbH for electro-chemical processing mbH / Germany.
  • the PEM technology is a modified variant of the previously explained ECM method and is thus to be subsumed under the genus ECM method or Elysieren or electro-chemical processing in general.
  • the PEM technology relies on the direct and largely proportional dependence of gap distance between electrode and workpiece and thus achievable geometrical or surface accuracies. The necessary rinsing of the gap with fresh electrolyte can no longer be realized with gaps around 10 ⁇ m. Correspondingly, this gap distance represents the limit for the classical EMC method.
  • Electrode movement In the PEM method, about 50 Hz are realized. That is, by changing the gap width, more precise surface accuracies can be achieved. So it is basically a die sinking process with vibrating electrode. Between the electrode and the workpiece - as described above with respect to the ECM method - a DC voltage is applied, whereby the workpiece corresponding
  • Geometry of the trailing electrode dissolves. Components are created with arbitrarily complicated geometrical shapes in almost all electrically conductive metals, such as e.g. high tempered steels, bearing steels, powder metallurgical steels and superalloys (e.g., nickel base alloy).
  • electrically conductive metals such as e.g. high tempered steels, bearing steels, powder metallurgical steels and superalloys (e.g., nickel base alloy).
  • the PEM process thus opens up access to the application, which hitherto has not been possible or economically viable with the known methods of spark erosion or classical electrochemical removal.
  • the electrodes necessary for carrying out the ECM method and the PEM method have hitherto been produced by conventional methods such as milling, eroding or etching.
  • a method for the electrochemical machining of a workpiece in which a workpiece, in particular in rapid prototyping technology, is constructed in layers of a conductive material.
  • the machined workpiece is anodically contacted, and a tool serving as an electrode is placed opposite a work site to be machined such that a gap remains.
  • the tool is contacted cathodically and in the gap between the workpiece and the tool, a conductive medium is introduced, so that flows by applying an electric current and by electrolysis metal ions are released from the workpiece, whereby a defined removal of the workpiece according to the contour of the tool he follows.
  • a further aspect of the present invention comprises a workpiece for machining, in which, instead of the workpiece, the tool serving as the electrode is produced in a layered construction by means of rapid prototyping technology as an alternative to the abovementioned machining method.
  • a metallic workpiece is contacted anodically and a tool constructed in layers is arranged opposite a workpiece to be machined in such a way that a gap remains.
  • the tool is contacted cathodically and a conductive medium is brought into the gap, so that flows by applying an electrical voltage current and by electrolysis metal ions are released from the workpiece, whereby a defined removal takes place on the workpiece.
  • a metal layer is deposited on at least a portion of the outside of the fabricated electrode if the individual layers from which it is constructed consist of a non-electrically conductive material.
  • An alternative to the aforementioned methods involves laminating both the workpiece and the tool serving as an electrode.
  • a method is proposed for producing a tool to be used as an electrode in an ECM method, which tool is intended for the electrochemical machining of a workpiece.
  • the electrode is produced in layered construction by means of a rapid prototyping method, wherein a desired for the removal of the workpiece in the ECM process outer contour is generated on the electrode.
  • a metal layer is deposited in known manner on at least part of the outside of the fabricated electrode which is intended to remove the workpiece.
  • the application of the metal layer can be done in the latter case, for example, by electroplating, in a CVD method, PVD method, painting, spraying or the like.
  • At least one channel is created that leads to the outside of the electrode or workpiece to form a conductive medium when using the electrode or workpiece in the ECM - To supply process in a working gap between the electrode and the workpiece or to be able to suck this through the channel.
  • Another aspect of the present invention relates to a method for producing a tool to be used as an electrode in an ECM method for electrochemically machining a workpiece.
  • This further method according to the invention comprises the steps of producing a body from a multiplicity of layers by means of a rapid prototyping method, the respective contours of which together form the outer contour of the electrode body desired for the removal of a workpiece in the ECM method.
  • This is followed by a molding of the existing body of a plurality of layers for producing a casting mold whose inner contour by the molding, which has the desired outer contour of the electrode body for removing a workpiece in the ECM process.
  • an electrode body is cast in the produced mold, whereby the desired for ablation of a workpiece in the ECM process outer contour of an electrode body is achieved.
  • an electrically conductive layer is applied from at least part of the surface of the cast electrode body, if the electrode body itself consists of a non-conductive material.
  • the methods for applying the electrically conductive layer such as a metal coating are well known. In particular, reference is made to the exemplary selection of suitable metal coating methods explained above.
  • This electrode for use in an ECM process for electrochemically machining a workpiece.
  • This electrode according to the invention comprises an electrode body which consists of a multiplicity of layers produced by means of rapid prototyping technology whose respective contours together form the outer contour of the electrode body which is desired for the removal of a workpiece in the ECM method.
  • An electrically conductive layer is applied to at least part of the surface of this electrode body if the layers are not made of a conductive material.
  • the electrode according to the invention comprises an electrode body with an outer contour desired for the removal of a workpiece in the ECM method.
  • the electrode body is produced here by casting in a casting mold whose inner contour is defined by molding a body which consists of a plurality of layers produced by rapid prototyping technology, the respective contours taken together the desired outer contour for removing a workpiece in the ECM process of the electrode body.
  • the present invention is based on the idea to combine the known for completely different applications rapid prototyping technologies for layering a body with complicated surface structures with the ECM method.
  • precise metallic workpieces and tools can be produced easily and inexpensively in a very short time.
  • electrodes for use in ECM processes with hitherto unrealizable surface structures and accuracies can be produced.
  • Due to the more accurate and cost-effective production of electrodes in layered construction according to the layer-forming rapid prototyping technologies known per se for other fields of application complicated workpieces can be economically produced in the mentioned ECM processes.
  • the particular advantages of the layer structure of the electrodes now also come with larger series production of Workpieces with complicated and high accuracy surfaces are used.
  • a rinsing or suction channel system here comprises a plurality of channels, which lead to different locations on the surface of the electrodes and allow a targeted supply or discharge of electrolyte.
  • the proposed combination of ECM method and a layer structure of electrodes by means of rapid prototyping process can be implemented fast and automated systems for the production of complicated workpieces.
  • High accuracies and complex structures on the workpieces can be achieved.
  • very smooth, i. low roughness components having economical production.
  • any metallic material can be used as a material.
  • There are basically no major restrictions and any number of copies of workpieces can be produced.
  • an optimization of the flushing in the ECM process for the electrolyte can be realized.
  • the PEM technology mentioned at the beginning can also be combined with the proposed method according to the invention.
  • a flushing or a suction of the electrolyte can take place alternately.
  • a flushing or a suction of the electrolyte can take place alternately.
  • only channels or bores intended for feeding and channels or bores intended for aspiration may be present.
  • a further exemplary embodiment of the present inventive method provides that the application of ultrasound in the metal ion removal is superimposed in order, for example, to increase the rinsing effect.
  • a further exemplary embodiment of the present invention provides that working with vibrations in different directions of action, in turn, to increase the rinsing effect or to increase the accuracy of material removal on the workpiece. This could be complicated specific forms such as screw thread, undercuts, grooves or slide geometry can be produced.
  • the layer-building methods used in the present invention in rapid prototyping technology or rapid prototyping methods can be both metallic workpieces and also processes that produce plastic components.
  • Methods for producing metallic components may be, for example, the following methods: DMLS of the companies EOS and MCP, MLS of the company 3D Systems, Lasercusing of the company throughoutlaser,
  • An example of a build-up process that produces plastic components and can be used in the present invention is stereolithography.
  • Electrodes according to the invention may be hollow and / or have a special filling according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the filling may be a conductive fabric or powder to enable transmission of high currents.
  • electrodes according to the invention can also have an inner space lattice or sintered structure or else be constructed in shells.
  • multi-part electrodes for multi-stage processing are possible.
  • the inventive structure of electrodes for Use in ECM processes also allows for different structural areas on electrodes.
  • Electrodes according to the invention for an ECM method, which are produced by means of a casting method in conjunction with the rapid prototype layered construction.
  • a casting process vacuum casting, front casting, precision casting,. Lost wax, Gilvac, Wegguss etc., so that the electrodes according to the invention are formed by positive patterns.
  • electrodes in layered construction for use in ECM processes which are produced from negative samples by means of a casting process such as, for example, vacuum casting, front casting, precision casting, lost-wax casting, Gilvac, precision casting.
  • rapid prototyping method and “rapid prototyping technology” in relation to the present invention include not only the methods expressly mentioned herein, but also all other methods and technologies which include Assigns specialist in the field of rapid prototyping. In general, all methods fall under that build a body in layers. In addition, all possible combinations of individual layer construction methods are to be subsumed under the terms mentioned.
  • FIG. 1 shows the various steps I-IV of a method according to the invention for the electrochemical machining of a workpiece with a layer-produced electrode.
  • FIG. 2 shows a detail of method step IV according to FIG. 1;
  • Fig. 3 is a sectional view similar to Figure 2 of an electrode and a workpiece, wherein the electrode shape is modified with respect to FIG. 2.
  • Fig. 4 is a FIGS. 2 and 3 similar sectional view of a workpiece and a
  • Electrode wherein the electrode is provided with respect to the representations in Figures 2 and 3 with a metal layer;
  • Fig. 5 is a multi-part electrode for the ECM method, the parts of various
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a hollow electrode according to the invention for the
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of an electrode according to the invention with flushing and suction channels for the ECM method
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of an electrode according to the invention for the ECM method, which is hollow and has a filling in a conductive material
  • 9 shows a further exemplary embodiment of an electrode according to the invention for the ECM method, which is hollow and has a conductive coating and a filling
  • Fig. 11 is a side view of another exemplary embodiment of an electrode
  • FIG. 12 shows a fiction, contemporary electrode for the ECM method produced in a layered mold
  • FIG. 13 shows another exemplary embodiment of an ECM process electrode according to the invention formed by casting in a layered mold.
  • Fig. 14 shows another exemplary embodiment of the invention comprising a
  • 15 shows a further exemplary embodiment of the invention comprising two electrodes for the simultaneous machining of two different regions of a workpiece.
  • an electrode body 1 is built up in layers in a manner known per se in an RP machine (rapid prototyping) in a liquid plastic bath 11.
  • a laser 15 which in the view shown in FIG. 1 both can be moved in the horizontal plane and is adjustable in height, the desired cross section of a layer 3 of the electrode body 1 is generated.
  • the laser 15 is moved according to the desired contour in the horizontal plane and exposed by appropriate exposure, a portion of the plastic layer 13 of the liquid plastic 11 and cured it.
  • any contours and layer shapes 3 can be generated.
  • an electrode 1 can have different contours 5 and 9 on different sides.
  • This layered in the stereolithography process electrode body 1 is made of plastic in the example mentioned. By admixing appropriate materials in the plastic curable by the laser 15, the electrode body 1 can be rendered conductive. If this conductivity is not sufficient to use such an electrode body 1 in the ECM method, such an electrode 1 can also be provided with a metallic coating 2, as will be explained later.
  • the electrode body 1 is electrically conductive.
  • the electrode 1 is provided with an electrical connection 17, which is connected via a cable 19 to a DC voltage source.
  • a workpiece 21 is also provided with a terminal 23 and connected via a cable 25 to a DC voltage source.
  • the workpiece 21 here forms the anode, the tool, ie the electrode 1, the cathode. This arrangement is in a known per se ECM machine or a PEM machine.
  • step III an electrolyte 32 is introduced via a nozzle 33 into a working gap 50 between the electrode body 1 and the workpiece 21 via a gap 32. This results in the desired removal of material on the workpiece 21.
  • ECM machines or PEM machines For further details, reference is made to the known methods of operation of ECM machines or PEM machines.
  • step IV a desired cavity 35 is now gradually produced in the workpiece 21 under height adjustment of the electrode 1 and / or the workpiece 21. This cavity 35 can then receive a desired defined contour in accordance with the outer contour of the electrode body 1 produced by the layered construction.
  • FIG. 2 shows a detailed view of method step IV of FIG. 1.
  • the electrolyte 32 flows in on one side, travels through the working gap 50 and is led out of the cavity 35 again. A removal of material takes place essentially in the working gap 50. On the sides 5 and 9 of the electrode body 1 substantially no removal takes place.
  • FIG. 3 essentially corresponds to FIG. 2. Only the shape of the electrode 1 has been changed. Here, a front part has layers with a layer thickness 3 ', the rear part, which forms the stem, comprises thicker layers 3. This electrode shape can have advantages in the machining of the workpiece 21, since then it is ensured that in fact on the sides 5 and 9 no material removal takes place.
  • FIG. 4 shows a view which is fundamentally the same as that of FIGS. 2 and 3.
  • the electrode consists of an electrode body 1 and a coating 2.
  • the electrode body 1 may in turn consist of plastic
  • the coating 2 is a metal coating. It can, for example, be vapor-deposited or applied to the electrode body 1 by painting. The application of the metal layer 2 by electroplating or the like is also possible.
  • FIG. 5 shows a further alternative embodiment of an electrode according to the invention.
  • the electrode 1 consists of two parts Ia and Ib.
  • the electrode body Ia is inserted in the electrode body Ib. Both consist of layered sintered bodies.
  • the porosity of the parts Ia and Ib is different here.
  • On the electrode body Ia there is a connection 17 for the current and an electrolyte supply 22. Via this electrolyte feed 22, the electrolyte 32 is introduced into the sintered body Ia of the electrode and flows out of the electrode body 1a due to the higher porosity in the part Ib.
  • the electrode body part Ib has a complicated outer contour, as a result of which the shape of the material removal on the workpiece 21 can be controlled accordingly.
  • FIG. 6 shows a further electrode for ECM processes with a hollow electrode body 1, which comprises a wall 43 of layered sintered metal.
  • a hollow electrode body 1 which comprises a wall 43 of layered sintered metal.
  • guide channels 44 are provided which allow a targeted feeding of an electrolyte 32.
  • the guide channels 44 can already be produced during layering of the wall 43 or they are subsequently produced separately by drilling or the like.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of an electrode body 1.
  • a plurality of electrolyte supply channels 53 and electrolyte suction channels 55 are present in the electrode body 1. These channels 53, 55 have already been constructed in the RP method in step I of the method according to the invention according to FIG.
  • FIG. 8 again shows a further exemplary embodiment of a hollow electrode 1 constructed according to the invention, the wall 43 of which, like the electrode according to FIG. 6, has a layered construction in RP technology, but in addition to the electrode shown in FIG 70 includes.
  • the filling 70 can serve to stiffen and stabilize the electrode 1. But it can also contribute to improving the conductivity of the electrode. Accordingly, the materials are to be selected.
  • the filling 70 can also be produced at the same time in the case of layered build-up of the wall 70 in RP technology. But it is also possible a separate filling 70 in the cavity.
  • FIG. 9 shows yet another exemplary embodiment of an electrode 1 according to the invention.
  • the u.U. Wall 43 constructed of non-conductive layers is provided with at least one conductive layer 71, 72.
  • an inner and outer layer 71, 72 of conductive material may be present.
  • FIG. 10a) - 10h) show various surface structures that can be produced on an electrode 1 for an ECM method according to the present invention.
  • grooves, guide channels, elevations, specially structured surfaces and surface distances or the like can be created, which improve the supply and removal of electrolyte in the ECM process or with which it is easier to control where a removal takes place on the workpiece.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of a layered electrode body 1, in which recesses 70 are present on the side in order to be able to better control the removal in the ECM process of material on the workpiece.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view in a rapid prototyping layered mold 60.
  • an electrode body 1 is then produced by this of a plastic or a metal or alloy.
  • the mold 60 has been constructed with individual layers 61 in RP technique.
  • FIG. 14 shows an arrangement in an ECM machine showing a horizontally oscillating electrode 1 according to the invention.
  • workpieces 21a and 21b arranged to be processed by means of EMC technology. Due to the special possibilities of the production of electrodes 1 according to the invention, it is now also possible to carry out various machining operations on workpieces 21a and 21b simultaneously with an electrode 1. In principle, however, a simultaneous machining of two workpieces 21a, 21b is possible by the oscillation of the electrode 1 back and forth. Moreover, this type of machining of a plurality of workpieces 21a, 21b is not bound to electrodes according to the present invention. Commercially available electrodes can also be used for this purpose.
  • Fig. 15 shows an arrangement similar to that in Fig. 14.
  • the electrodes Ia and Ib may, but need not be made in layered construction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (21), bei dem ein Werkstück (21) in Schichten (3) aus einem leitfähigen Material mittels einem Rapid- Prototyping-Verfahren aufgebaut wird. Das in Schichten (3) aufgebaute Werkstück (21) wird anodisch kontaktiert. Dann wird ein Werkzeug (1) gegen über einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (21) derart angeordnet, dass ein Spalt (50) verbleibt. Das Werkzeug (1) wird kathodisch kontaktiert und ein leitfähiges Medium (32) wird in den Spalt (50) gebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück (21) gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück (21) erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM-Verfahren als Elektrode (1) zu verwendenden Werkzeugs zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21) und eine Elektrode (1) zur Verwendung in einem ECM-Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21).

Description

Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks und Elektrode für ein solches Verfahren
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft verschiedene Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines in einem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren als Elektrode zu verwendenden Werkzeugs, das zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstückes bestimmt ist. Außerdem betrifft die Erfindung Elektroden, die zur Verwendung in einem Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks bestimmt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zum Bearbeiten von Werkstücken und insbesondere zur Herstellung einer bestimmten Werkstückoberfläche sind allgemein abtragende Verfahren wie Fräsen oder Drehen bekannt. Ein Problem bei diesen Abtragungsverfahren ist, dass kleine und komplizierte Werkstückoberflächen nicht oder nur relativ unwirtschaftlich herstellbar sind.
Für spezielle Anwendungen ist darüber hinaus das Abtragen von Material mittels Funkenerosion, Elysieren oder durch Metallätzen bekannt. Diese drei Verfahren haben gemeinsam, dass elektrischer Strom für den gewünschten Materialabtrag am Werkstück verantwortlich ist. Alle drei vorgenannten Verfahren finden in flüssigen Wirkmedien statt.
Bei der Funkenerosion findet ein Materialabtrag oder eine Materialwanderung zwischen elektrisch leitenden Kontakten statt. Die Elektroden sind hierbei das formgebende Werkzeug und das zu bearbeitende Werkstück. Die Funken in einem Erosionsspalt stellen zeitliche und örtliche Entladungen dar, deren Wirkung auf der Werkstückoberfläche durch Abtragstrichter und Abtragskrater gekennzeichnet sind. Die mit einem Puls- oder Relaxationsgenerator betriebenen Maschinen können die Verfahren des Senkens, Drahterodierens, Schleifens oder Sägens UP:UP realisieren. Elektroden für das Funkenerosionsverfahren werden heutzutage durch Fräsen von Graphit oder Kupfer hergestellt, da diese Materialien ein für die Funkenerosion günstiges Abbrandverhalten zeigen. Andere Materialien sind hierfür nur sehr bedingt geeignet.
Nachteilig bei der Funkenerosion ist allerdings, dass die Elektroden einem Materialverschleiß unterliegen und das Bearbeiten eines Werkstücks lange dauert und damit teuer ist. Entsprechend wird dieses Verfahren nur bei ganz speziellen Werkstücken angewendet. Eine wirtschaftliche Serienbearbeitung von Werkstücken ist eher nicht realisierbar.
Bei dem sogenannten Elysieren, das, auch als elektro-chemisches Milling (ECM- Verfahren) bezeichnet wird, handelt es sich um ein elektro-chemisches Bearbeitungsverfahren, bei dem unter Einfluss einer Gleichspannung in wässrigen Lösungen von Salzen oder Säuren als Elektrolyten Metallatome der Anode - also des Werkstückes - in Lösungen gehen. Es ist die Umkehrung der Galvanisierung. Der zwischen Werkstück und Werkzeug fließende Gleichstrom formt bei diesem Verfahren durch Herauslösen von Werkstoffpartikeln das Werkstück zu der vorgegebenen Gestalt. Zur Geometriebestimmung wird ein Elektrolyt durch eine isolierte Düse auf eine Geschwindigkeit bis 30 m/s gebracht und erreicht bei Stromdichten von 250 A/cm2 sehr hohe Abtragungsraten. Es lassen sich insbesondere Werkstückgeometrien und -Oberflächen mit Rauhigkeiten bis herab zu Rt = 0,5 μm bei Gradfreiheit erzielen. Kennzeichnend ist bei diesem Elysieren, dass sehr hohe Abtragungsgeschwindigkeiten und Feinheiten erreicht werden können. Wie bereits zuvor angedeutet, ist in dem Verfahren das zu bearbeitende Werkstück eine Elektrode, die andere Elektrode ist das Werkzeug, das die gewünschte Formgebung an dem Werkstück besitzt, so dass der gewünschte entsprechende Abtrag am Werkstück erfolgt. Bisher wurde das Elysieren oder ECM- Verfahren oftmals nur bei ganz speziellen Bauteilen eingesetzt, insbesondere zum effektiven Entgraten von metallischen Serienbauteilen bzw. zur
Oberflächenglättung von beispielsweise Turbinenschaufeln. In letzter Zeit wurde auch daran geforscht, dieses Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen und sehr präzisen Ministrukturen einzusetzen.
Die Verwendung des ECM- Verfahren nur für spezielle Bauteile liegt darin begründet, dass zum einen eine sehr gute Spülung notwendig ist, um den Abtragungsprozess aufrecht zu erhalten, zum anderen werden im gesamten Spalt zwischen dem als Elektrode wirkenden Werkzeug und dem zu bearbeitenden Werkstück Metallionen aus dem Werkstück proportional vom Stromfluss - im Regelfall proportional zum Spaltabstand - abgetragen, wodurch nicht immer die erforderliche Genauigkeit erreicht wird. Darüber hinaus sind tiefe Schlitze oder ähnliche Geometrien in Werkstücken mit den bisherigen Elektroden für das Elysieren kaum möglich, da die notwendigen Spülkanäle nicht oder nur mit erheblichem Aufwand eingebracht werden können. Für weitere Informationen zum Elysieren von Werkstücken wird beispielsweise auf folgende Druckschriften verwiesen: CH 538 906 A, DE 199 59 593 Al, DE 1 813 017 A, DE 1 765 890 Bl, DE 17 65 890 B, US 5,738,777, DD 287 617 A7.
Die GB 2 096 518 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines Werkstücks. Hier werden ein sogenanntes EDM- Verfahren und ein ECM- Verfahren unter Verwendung eines starken Elektrolyten miteinander kombiniert. Das Werkstück als auch ein hier zur Formung des Werkstücks verwendetes Werkzeug sin,d nicht im Detail erläutert. Als Elektroden sind lediglich übliche Kupfer-Graphit-Drähte oder Wolframelektroden genannt.
In der US 5,833,835 ist ein Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück und einer elektrisch leitfähigen Elektrode offenbart. Auch hier wird wiederum auf allgemein übliche Elektroden verwiesen.
In der DE 101 11 019 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines elektrisch leitfähigen und als Anode geschalteten Gegenstands durch einen
ECM-Prozess beschrieben. Die offenbarte ECM- Anlage weist eine Anode und eine Kathode auf und zwischen der Kathode und der zu strukturierenden Oberfläche befindet sich ein Elektrolyt. Die Struktur auf der Oberfläche des Gegenstands wird mittels einer in die ECM- Anlage integrierten Maske hergestellt. Es ist zudem noch offenbart, dass die Kathode, die Maske und die zu strukturierende Oberfläche als Sandwich verpresst sein können.
Aus der DE 102 37 324 Al ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für die elektrochemische Bearbeitung eines Werkstücks und eine nach dem Verfahren hergestellte Elektrode offenbart. Hier wird ein Elektrodenkörper aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial an der Oberfläche mit einem Isoliermaterial beschichtet. Dann erfolgt ein Entfernen des Isoliermaterials in Bereichen der Oberfläche des Elektrodenkörpers, welche einer Struktur entsprechen, die durch elektro-chemische Bearbeitung in der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll. -A-
Die EP 0 223 401 Al zeigt eine teilweise leitende Kathode für eine elektro-chemische Bearbeitung. Die Kathode umfasst eine Bearbeitungsoberfläche, von der zumindest ein Teil aus nicht leitenden und leitenden Materialien, die aufeinandergeschichtet sind, besteht, wobei der Abstand und die Dicke der nicht leitenden und leitenden Materialien so gewählt sind, dass ein zu starkes Abtragen an einem konvexen Radius der Werkstückoberfläche verringert wird.
Ergänzend ist auf das sogenannte PEM- Verfahren hinzuweisen, das eine Adaption des klassischen elektro-chemischen Verfahrens ist. Dieses Verfahren ist von der Firma PEM Technologiegesellschaft für elektro-chemische Bearbeitung mbH / Deutschland entwickelt worden. Bei der PEM-Technologie handelt es sich um eine modifizierte Variante des zuvor erläuterten ECM- Verfahrens und ist damit unter der Gattung ECM- Verfahren bzw. Elysieren oder allgemein elektro-chemisches Bearbeiten zu subsumieren. Die PEM-Technologie setzt auf der direkten und weitgehenden proportionalen Abhängigkeit von Spaltabstand zwischen Elektrode und Werkstück und damit erzielbaren Geometrie- oder Oberflächengenauigkeiten auf. Die notwendige Spülung des Spalts mit frischem Elektrolyt lässt sich bei Spalten um 10 μm nicht mehr realisieren. Entsprechend stellt dieser Spaltabstand die Grenze für das klassische EMC- Verfahren dar. Da also ein gleichzeitiges Abtragen und Spülen bei dem klassischen ECM- Verfahren nicht möglich ist, schaltet man bei dem PEM- Verfahren die beiden Vorgänge hintereinander. Ein Abtragen findet bei engstmöglichem Spalt statt, das Spülen des Spaltes bei größtmöglichem Spalt (mehrere zehntel Millimeter). Das führt zu einer oszillierenden
Elektrodenbewegung. Bei dem PEM- Verfahren sind etwa 50 Hz realisiert. Das heißt, durch die Veränderung der Spaltweite können präzisere Oberflächengenauigkeiten erzielt werden. Es handelt sich also grundsätzlich um ein Senkerosionsverfahren mit vibrierender Elektrode. Zwischen Elektrode und Werkstück wird - wie zuvor bezüglich des ECM- Verfahrens beschrieben - eine Gleichspannung angelegt, wodurch sich das Werkstück entsprechender
Geometrie der nachfahrenden Elektrode auflöst. Es entstehen Bauteile mit beliebig komplizierten geometrischen Formen in nahezu allen elektrisch leitenden Metallen, wie z.B. hochvergüteten Stählen, Wälzlagerstählen, pulver-metallurgischen Stählen sowie Superlegierungen (z.B. Nickelbasis-Legierung).
Mit dem PEM- Verfahren erschließt sich damit der Zugang zur Applikation, die mit den bekannten Verfahren der Funkenerosion oder dem klassisch elektro-chemischem Abtragen bislang nicht oder nicht wirtschaftlich hergestellt werden können. Die für die Durchführung des ECM- Verfahrens und des PEM- Verfahrens notwendigen Elektroden werden bisher mit klassischen Verfahren wie Fräsen, Erodieren oder Ätzen hergestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks vorgeschlagen, bei dem ein Werkstück insbesondere in Rapid-Prototyping-Technologie in Schichten aus einem leitfähigen Material aufgebaut wird. Das in Schichtbauweise hergestellte Werkstück wird anodisch kontaktiert und ein als Elektrode dienendes Werkzeug wird gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks derart angeordnet, dass ein Spalt verbleibt. Das Werkzeug wird kathodisch kontaktiert und in den Spalt zwischen Werkstück und Werkzeug wird ein leitfähiges Medium eingebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metallionen aus dem Werkstück gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück gemäß der Kontur des Werkzeuges erfolgt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein zum Bearbeiten eines Werkstücks, bei dem alternativ zu dem zuvor genannten erfϊndungsgemäßen Bearbeitungsverfahren anstatt des Werkstücks das als Elektrode dienende Werkzeug in Schichtbauweise mittels Rapid- Prototyping-Technologie hergestellt wird. Es wird also erfϊndungsgemäß ein metallisches Werkstück anodisch kontaktiert und ein in Schichten aufgebautes Werkzeug gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks derart angeordnet, dass ein Spalt verbleibt. Das Werkzeug wird kathodisch kontaktiert und ein leitfähiges Medium wird in den Spalt gebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück erfolgt. Anzumerken ist, dass eine Metallschicht auf zumindest einem Teil der Außenseite der hergestellten Elektrode aufgebracht wird, falls die einzelnen Schichten, aus der sie aufgebaut wurde, aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bestehen.
Ein Alternative der zuvor genannten Verfahren umfasst das Herstellen in Schichtbauweise sowohl des Werkstücks als auch des als Elektrode dienenden Werkzeugs. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode zu verwendenden Werkzeugs vorgeschlagen, welches Werkzeug zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks bestimmt ist. Hierbei wird die Elektrode in Schichtbauweise mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens hergestellt, wobei eine für das Abtragen des Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur auf der Elektrode erzeugt wird. Falls die Schichten der hergestellten Elektrode aus einem nicht leitenden Material bestehen, wird eine Metallschicht auf zumindest einem Teil der Außenseite der hergestellten Elektrode, der ein Abtrag an dem Werkstück bewirken soll, in bekannter Weise aufgebracht. Das Aufbringen der Metallschicht kann im letzteren Fall beispielsweise durch Galvanisieren, in einem CVD- Verfahren, PVD-Verfahren, Lackieren, Aufspritzen oder ähnlichem erfolgen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der zuvor genannten erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Herstellen der Elektrode oder des Werkstücks in Schichtbauweise zumindest ein Kanal erzeugt, der zur Außenseite der Elektrode bzw. des Werkstücks führt, um ein leitfähiges Medium beim Benutzen der Elektrode bzw. des Werkstücks in dem ECM- Verfahren in einen Arbeitsspalt zwischen Elektrode und Werkstück zuzuführen oder dieses durch den Kanal absaugen zu können.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode zu verwendenden Werkzeuges zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Dieses weitere erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte: Herstellen eines Körpers aus einer Vielzahl von Schichten mittels einem Rapid-Prototyping- Verfahren, deren jeweilige Konturen zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden. Daraufhin erfolgt ein Abformen des aus einer Vielzahl von Schichten bestehenden Körpers zur Herstellung einer Gussform, deren Innenkontur durch das Abformen, die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers hat. Dann wird ein Elektrodenkörper in der hergestellten Gussform gegossen, wodurch die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur eines Elektrodenkörpers erzielt wird. Schließlich wird eine elektrisch leitfähige Schicht aus zumindest einem Teil der Oberfläche des gegossenen Elektrodenkörpers aufgebracht, falls der Elektrodenkörper selbst aus einem nicht leitfähigen Material besteht. Die Verfahren zum Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schicht wie eine Metallbeschichtung sind allgemein bekannt. Insbesondere wird auf die zuvor erläuterte, beispielhafte Auswahl an geeigneten Metallbeschichtungsverfahren verwiesen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Elektrode zur Verwendung in einem ECM- Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Diese erfindungsgemäße Elektrode umfasst einen Elektrodenkörper, der aus einer Vielzahl von mittels Rapid-Prototyping-Technologie hergestellten Schichten besteht, deren jeweilige Kontur zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden. Auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieses Elektrodenkörpers ist eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht, falls die Schichten nicht aus einem leitfähigen Material bestehen.
Schließlich betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Elektrode zur Verwendung in einem ECM- Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Hier umfasst die erfmdungsgemäße Elektrode einen Elektrodenkörper mit einer zum Abtragen eines Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschten Außenkontur. Der Elektrodenkörper ist hier durch Giessen in einer Gießform hergestellt, deren Innenkontur durch Abformen eines Körpers festgelegt ist, der aus einer Vielzahl von mittels Rapid-Prototyping-Technologie hergestellten Schichten besteht, deren jeweilige Konturen zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die für völlig andere Einsatzgebiete bekannten Rapid-Prototyping-Technologien zum schichtweise Aufbauen eines Körpers mit komplizierten Oberflächenstrukturen mit dem ECM- Verfahren zu verknüpfen. Erstmals können präzise metallische Werkstücke und Werkzeuge in einfacher Weise kostengünstig und in sehr kurzer Zeit hergestellt werden. Insbesondere sind erstmals Elektroden zur Verwendung in ECM- Verfahren mit bisher nicht realisierbaren Oberflächenstrukturen und Genauigkeiten herstellbar. Damit sind auch die bisherigen ECM- Verfahren für völlig neue Werkstückbearbeitungen einsetzbar. Durch die genauere und kostengünstige Herstellung von Elektroden in Schichtbauweise entsprechend den an sich für andere Einsatzgebiete bekannten schichtaufbauenden Rapid-Prototyping-Technologien können damit auch komplizierte Werkstücke in den genannten ECM- Verfahren wirtschaftlich erzeugt werden. Insbesondere weil die Elektroden in den ECM- Verfahren keinem Verschleiß unterliegen, kommen die besonderen Vorteile des Schichtaufbaus der Elektroden nunmehr auch bei größeren Serienanfertigungen von Werkstücken mit komplizierten und hohe Genauigkeiten aufweisenden Oberflächen zum Einsatz.
Insbesondere ist aus auch erstmals möglich, in den Elektroden für das ECM-Verfahren oder auch in den Werkstücken, die schichtweise aufgebaut sind, und mittels eines ECM- Verfahrens zu bearbeiten sind, Spül- und/oder Absaugkanäle vorzusehen. Es können insbesondere auch äußerst komplizierte Spül- und/oder Absaugkanalsysteme in den Elektroden (also dem Werkstück und/oder dem Werkzeug für des ECM-Verfahren) hergestellt werden. Ein Spül- oder Absaugkanalsystem umfasst hier mehrere Kanäle, die zu verschiedenen Stellen an der Oberfläche der Elektroden führen und eine gezielte Zu- oder Abführung von Elektrolyt erlauben.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorgeschlagene Kombination von ECM-Verfahren und einem Schichtaufbau von Elektroden mittels Rapid-Prototyping- Verfahren schnelle und automatisierbare Systeme zur Herstellung von komplizierten Werkstücken realisieren lassen. Es können hohe Genauigkeiten und komplexe Strukturen an den Werkstücken erzielt werden. Insbesondere sind auch sehr glatte, d.h. geringe Rauhigkeiten aufweisende Bauteile wirtschaftlich herstellbar. Insbesondere ist auch jeder metallische Werkstoff als Werkstoff einsetzbar. Es gibt grundsätzlich keine großen Beschränkungen und es sind beliebig viele Kopien von Werkstücken produzierbar. Erstmals kann auch eine Optimierung der Spülung im ECM- Verfahren für das Elektrolyt realisiert werden. Wie bereits zuvor erläutert, ist insbesondere auch die eingangs genannte PEM-Technologie mit den vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Spülung bzw. ein Absaugen des Elektrolyten im Wechsel erfolgen. Es können in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform alternativ nur für das Zuführen bestimmte Kanäle oder Bohrungen und nur für das Absaugen bestimmte Kanäle oder Bohrungen vorhanden sein.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass die Beaufschlagung mit Ultraschall bei der Metall-Ionenabtragung überlagert wird, um beispielsweise die Spülwirkung zu erhöhen. Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass mit Vibrationen in unterschiedlichen Wirkrichtungen gearbeitet wird, um wiederum die Spülwirkung zu erhöhen oder die Genauigkeit des Materialabtrags am Werkstück zu erhöhen. Damit könnten komplizierte spezifischen Formen wie Schraubgewinde, Hinterschneidungen, Eindrehungen oder auch Schiebergeometrien hergestellt werden.
Es ist mittels der erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere möglich, mehrere Werkstücke aus gleichen oder unterschiedlichen Metallen gleichzeitig im ECM- Verfahren zu bearbeiten.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die
Bearbeitung in einem ECM- Verfahren von mehreren Werkstücken in einer ersten Stufe getrennt erfolgen, wie beispielsweise ein konturnahes Elysieren, und in einer zweiten Stufe erfolgt ein gemeinsames Bearbeiten der mehreren Werkstücke, z.B. ein Elysieren zur Erzielung einer bestimmten Kontur an beiden Bauteilen.
Die für die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommenden Schichtaufbauverfahren in Rapid- Prototyping-Technologie bzw. Rapid-Prototyping- Verfahren können sowohl metallische Werkstücke als auch Kunststoffbauteile erzeugende Verfahren sein. Verfahren zum Erzeugen von metallischen Bauteilen können beispielsweise folgende Verfahren sein: DMLS der Firmen EOS und MCP, MLS der Firma 3D Systems, Lasercusing der Firma Konzeptlaser,
Laserschmelzen der Firma Trumpf, Electron Beam Melting der Firma Arcam und Electron Beam Sintering sein. Ein Beispiel für ein Schichtaufbauverfahren, das Kunststoffbauteile erzeugt und bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, ist die Stereolithographie.
Erfindungsgemäße Elektroden können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hohl sein und/oder eine spezielle Füllung besitzen. Die Füllung kann insbesondere ein leitfähiges Gewebe oder Pulver sein, um die Übertragung hoher Stromstärken zu ermöglichen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können erfindungsgemäß Elektroden auch eine innere Raumgitter- oder Sinterstruktur haben oder auch in Schalen aufgebaut sein. Insbesondere sind auch mehrteilig aufgebaute Elektroden zur mehrstufigen Bearbeitung möglich. Der erfindungsgemäße Aufbau von Elektroden zur Verwendung in ECM- Verfahren ermöglicht auch unterschiedliche Strukturbereiche an Elektroden.
Es können auch erfindungsgemäße Elektroden für ein ECM- Verfahren hergestellt werden, die über ein Gussverfahren in Verbindung mit der Rapid-Prototyp-Schichtbauweise hergestellt werden. Als Gussverfahren eignet sich hierzu insbesondere Vakuumguss, Frontguss, Feinguss, . Wachsausschmelzverfahren, Gilvac, Genauguss etc., so dass die erfindungsgemäßen Elektroden durch Positivmuster entstehen. Es sind aber auch Elektroden in Schichtbauweise zur Verwendung in ECM- Verfahren herstellbar, die über ein Gussverfahren wie beispielsweise Vakuumguss, Frontguss, Feinguss, Wachsausschmelzverfahren, Gilvac, Genauguss etc. aus Negativmustern entstehen.
Ergänzend ist anzumerken, dass unter den Begriffen „Rapid-Prototyping- Verfahren" und „Rapid-Prototyping-Technologie" in Bezug auf die vorliegende Erfindung nicht nur die hier ausdrücklich genannten Verfahren zu subsumieren sind, sondern auch alle weiteren Verfahren und Technologien, die ein Fachmann dem Gebiet der Rapid-Prototyping- Verfahren zuordnet. Allgemein fallen alle Verfahren hierunter, die einen Körper schichtweise aufbauen. Außerdem sind unter den genannten Begriffen auch alle möglichen Kombinationen von einzelnen Schichtbauverfahren zu subsumieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden sind zur besseren Erläuterung und Verständnis mehrere beispielhafte Ausfiihrungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 die verschiedenen Schritte I - IV eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks mit in Schichtbauweise hergestellter Elektrode;
Fig. 2 ein Detail des Verfahrensschrittes IV gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Schnittansicht einer Elektrode und eines Werkstücks, wobei die Elektrodenform gegenüber der Fig. 2 abgewandelt ist;
Fig. 4 eine den Fig. 2 und 3 gleichende Schnittansicht eines Werkstücks und einer
Elektrode, wobei die Elektrode gegenüber den Darstellungen in den Fig. 2 und 3 mit einer Metallschicht versehen ist;
Fig. 5 eine mehrteilige Elektrode für das ECM- Verfahren, deren Teile aus verschiedenen
Materialien bestehen;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hohlen Elektrode für das
ECM-Verfahren;
Fig. 7 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Spül- und Saugkanälen für das ECM-Verfahren;
Fig. 8 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM-Verfahren, die hohl aufgebaut ist und in einem leitfähigen Werkstoff eine Füllung besitzt; Fig. 9 eine weitere beispielhafte Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM- Verfahren, die hohl aufgebaut ist und eine leitfähige Beschichtung sowie eine Füllung besitzt;
Fig. 10a) - h) verschiedene Oberflächenstrukturen von erfindungsgemäßen Elektroden;
Fig. 11 eine Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Elektrode;
Fig. 12 eine in einer schichtweise aufgebauten Gussform hergestellte erfindungs gemäße Elektrode für das ECM- Verfahren;
Fig. 13 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM- Verfahren, die durch Guss in einer in Schichtbauweise hergestellten Gussform geformt ist,
Fig. 14 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfassend eine
Elektrode zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei oder mehr Werkstücken,
Fig. 15 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfassend zwei Elektroden zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei verschiedenen Bereichen eines Werkstücks.
BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFUHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 näher erläutert. Das hierbei eingesetzte Stereolithographie- Verfahren ist rein beispielhaft und kann durch andere Schichtbauverfahren, wie eingangs erwähnt, ersetzt werden.
Wie im Teilschritt I der Fig. 1 gezeigt ist, wird in an sich bekannter Weise in einer RP -Maschine (Rapid Prototyping) in einem flüssigen Kunststoffbad 11 ein Elektrodenkörper 1 schichtweise aufgebaut. Hierzu wird mittels eines Lasers 15, der in der in Fig. 1 dargestellten Ansicht sowohl in der Horizontalebene verfahrbar ist als auch höhenverstellbar ist, der gewünschte Querschnitt einer Schicht 3 des Elektrodenkörpers 1 erzeugt. Dazu wird der Laser 15 entsprechend der gewünschten Kontur in der Horizontalebene verfahren und durch entsprechendes Belichten ein Teil der Kunststoffschicht 13 des flüssigen Kunststoffs 11 belichtet und damit ausgehärtet. Somit lassen sich beliebige Konturen und Schichtformen 3 erzeugen.
Sobald die gewünschte Schicht 3 geschaffen ist, wird der schon belichtete und ausgehärtete Kunststoffteil nach unten abgesenkt und zwar um die neue gewünschte Schichtdicke. Die neue flüssige Kunststoffschicht 13 oberhalb der obersten Schicht 3 wird wiederum belichtet und dadurch gehärtet. Dadurch entstehen beliebig konturierbare und eventuell mit Öffnungen etc. versehene Schichten 3, die zusammen einen Elektronenkörper 1 bilden. Wie in der Fig. 1 / 1 gezeigt, kann somit eine Elektrode 1 auf verschiedenen Seiten verschiedene Konturen 5 und 9 erhalten.
Dieser im Stereolithographie-Verfahren schichtweise aufgebaute Elektrodenkörper 1 besteht bei dem genannten Beispiel aus Kunststoff. Durch Beimischung von entsprechenden Materialien in dem durch den Laser 15 härtbaren Kunststoff kann der Elektrodenkörper 1 leitfähig gemacht werden. Falls diese Leitfähigkeit nicht ausreicht, um einen solchen Elektrodenkörper 1 im ECM- Verfahren einzusetzen, kann eine solche Elektrode 1 auch mit einer metallischen Beschichtung 2 versehen werden, wie später noch erläutert werden wird.
Für die Schritte II - IV ist davon auszugehen, dass der Elektrodenkörper 1 elektrisch leitfähig ist. Im Schritt II ist die Elektrode 1 mit einem elektrischen Anschluss 17 versehen, der über ein Kabel 19 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Ein Werkstück 21 ist ebenfalls mit einem Anschluss 23 versehen und über ein Kabel 25 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Das Werkstück 21 bildet hier die Anode, das Werkzeug, also die Elektrode 1 die Kathode. Diese Anordnung befindet sich in einer an sich bekannten ECM-Maschine oder einer PEM-Maschine.
Im Schritt III wird ein Elektrolyt 32 über eine Düse 33 in einen Arbeitsspalt 50 zwischen dem Elektrodenkörper 1 und dem Werkstück 21 über einen Zwischenraum 32 eingeführt. Hierdurch erfolgt der gewünschte Materialabtrag am Werkstück 21. Für weitere Details hierzu wird auf die an sich bekannten Arbeitsweisen von ECM-Maschinen oder PEM-Maschinen verwiesen. Wie im Schritt IV gezeigt, wird nun nach und nach unter Höhenverstellung der Elektrode 1 und/oder des Werkstücks 21 eine gewünschte Aushöhlung 35 im Werkstück 21 erzeugt. Diese Aushöhlung 35 kann dann entsprechend der durch die Schichtbauweise erzeugten Außenkontur des Elektrodenkörpers 1 eine gewünschte definierte Kontur erhalten.
In der Fig. 2 ist eine Detailansicht des Verfahrensschrittes IV der Fig. 1 gezeigt. Wie hieraus deutlicher wird, strömt das Elektrolyt 32 auf einer Seite ein, wandert durch den Arbeitsspalt 50 und wird wieder aus der Aushöhlung 35 herausgeführt. Eine Materialabtrag erfolgt im Wesentlichen im Arbeitsspalt 50. An den Seiten 5 und 9 des Elektrodenkörpers 1 erfolgt im Wesentlichen keine Abtrag.
Die Darstellung in der Fig. 3 entspricht im Wesentlichen der Fig. 2. Es ist lediglich die Form der Elektrode 1 geändert. Hier weist ein vorderer Teil Schichten mit einer Schichtdicke 3' auf, der hintere Teil, der den Stiel bildet, umfasst dickere Schichten 3. Diese Elektrodenform kann bei der Bearbeitung des Werkstücks 21 Vorteile haben, da dann sichergestellt ist, dass tatsächlich an den Seiten 5 und 9 kein Materialabtrag erfolgt.
Wie bereits eingangs erläutert, zeigt die Fig. 4 eine grundsätzlich der Darstellung der Fig. 2 und 3 gleichende Ansicht. Hier besteht die Elektrode aus einem Elektrodenkörper 1 und einer Beschichtung 2. Der Elektrodenkörper 1 kann hier wiederum aus Kunststoff bestehen, die Beschichtung 2 ist eine Metallbeschichtung. Sie kann beispielsweise aufgedampft oder durch Lackieren auf den Elektrodenkörper 1 aufgebracht sein. Das Aufbringen der Metallschicht 2 durch Galvanisieren oder dergleichen ist auch möglich.
In der Fig. 5 ist eine weitere alternative Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Elektrode gezeigt. Hier besteht die Elektrode 1 aus zwei Teilen Ia und Ib. Der Elektrodenkörper Ia ist in dem Elektrodenkörper Ib eingesetzt. Beide bestehen aus in Schichtbauweise erstellten Sinterkörpern. Die Porosität der Teile Ia und Ib ist hier unterschiedlich. Am Elektrodenkörper Ia ist ein Anschluss 17 für den Strom und eine Elektrolytzuführung 22 vorhanden. Über diese Elektrolytzuführung 22 wird das Elektrolyt 32 in den Sinterkörper Ia der Elektrode eingebracht und strömt durch die höhere Porosität in dem Teil Ib aus dem Elektrodenkörper Ia heraus. Wie hieraus ersichtlich ist, weist der Elektrodenkörperteil Ib eine komplizierte Außenkontur auf, wodurch die Form des Materialabtrags am Werkstück 21 entsprechend steuerbar ist. Die Fig. 6 zeigt eine weitere Elektrode für ECM- Verfahren mit einem hohlen Elektrodenkörper 1, der eine Wandung 43 aus schichtweise aufgebautem Sintermetall umfasst. In der Wandung 43 sind Führungskanäle 44 vorhanden, die ein gezieltes Zuführen eines Elektrolyts 32 erlauben. Die Führungskanäle 44 können bereits beim schichtweise Aufbauen der Wandung 43 erzeugt werden oder sie werden nachher separat durch Bohren oder dergleichen hergestellt.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Elektrodenkörpers 1. Hier sind in dem Elektrodenkörper 1 mehrere Elektrolytzuführungskanäle 53 und Elektrolytabsaugkanäle 55 vorhanden. Diese Kanäle 53, 55 wurden bereits im RP- Verfahren in Schritt I des erfϊndungs gemäßen Verfahrens gemäß Fig. 1 aufgebaut.
Die Fig. 8 zeigt wiederum eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebaute, hohle Elektrode 1, deren Wandung 43 wie die der Elektrode gemäß Fig. 6 in RP- Technologie schichtweise aufgebaut ist, aber in Ergänzung zu der in Fig. 6 gezeigten Elektrode eine Füllung 70 umfasst. Die Füllung 70 kann zur Versteifung und Stabilisierung der Elektrode 1 dienen. Sie kann aber auch zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Elektrode beitragen. Entsprechend sind die Materialien zu wählen. Grundsätzlich ist anzumerken, dass die Füllung 70 auch bereits beim schichtweise Aufbauen der Wandung 70 gleichzeitig in RP-Technik hergestellt werden kann. Es ist aber auch eine separate Füllung 70 in den Hohlraum möglich.
Fig. 9 zeigt noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode 1. Hier ist in Ergänzung zu der in Fig. 8 gezeigten Elektrode 1 die u.U. aus nicht leitfähigen Schichten aufgebaute Wandung 43 mit zumindest einer leitfähigen Schicht 71, 72 versehen. Es können, wie gezeigt, aber insbesondere auch eine Innen- und Außenschicht 71, 72 aus leitfähigem Material vorhanden sein.
Die Fig. 10a) - 10h) zeigen verschiedene Oberflächenstrukturen, die auf einer Elektrode 1 für ein ECM- Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugbar sind. So können Rillen, Leitrinnen, Erhebungen, speziell strukturierte Oberflächen und Oberflächenabstände oder dergleichen geschaffen werden, die ein Zu- und Abführen von Elektrolyt im ECM- Verfahren verbessern oder mit denen sich besser steuern lässt, wo ein Abtrag am Werkstück erfolgt. Die Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht eines schichtweise aufgebauten Elektrodenkörpers 1, bei dem seitlich Ausnehmungen 70 vorhanden sind, um wiederum den Abtrag im ECM- Verfahren von Material am Werkstück besser steuern zu können.
In der Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht in einer in Rapid-Prototyping-Schichtbauweise erstellte Gussform 60 gezeigt. In dieser Gussform 60 werden dann durch diesen eines Kunststoffes oder eines Metalls oder Legierung ein Elektrodenkörper 1 erzeugt.
Gleiches gilt auch für den in Fig. 13 dargestellten Elektrodenkörper, der durch Gießen von Sintermetall eine poröse Struktur hat. Auch hier ist wiederum die Form 60 mit einzelnen Schichten 61 in RP-Technik aufgebaut worden.
In der Fig. 14 ist eine Anordnung in einer ECM-Maschine gezeigt, die eine horizontal schwingende erfindungsgemäße Elektrode 1 zeigt. Hier sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Elektrode 1 Werkstücke 21a und 21b angeordnet, die mittels EMC-Technik zu bearbeiten sind. Durch die besonderen Möglichkeiten der erfmdungsgemäßen Herstellung von Elektroden 1 können nunmehr auch verschiedene Bearbeitungen von Werkstücken 21a und 21b gleichzeitig mit einer Elektrode 1 durchgeführt werden. Grundsätzlich ist aber durch das Hin- und Herschwingen der Elektrode 1 eine gleichzeitige Bearbeitung von zwei Werkstücken 21a, 21b möglich. Diese Art der Bearbeitung mehrerer Werkstücke 21a, 21b ist darüber hinaus nicht an Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung gebunden. Es können hierzu auch handelsübliche Elektroden verwendet werden.
Schließlich zeigt die Fig. 15 eine Anordnung, die der in der Fig. 14 ähnelt. Im Gegensatz zu der Anordnung von Fig. 14 sind hier zwei Elektroden Ia und Ib vorhanden, die zwei verschiedene Stellen eines Werkstücks 21 in ECM-Technik bearbeiten. Die Elektroden Ia und Ib können, müssen aber nicht in Schichtbauweise hergestellt sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend zumindest folgende Schritte: - ein Werkstück (21) wird mittels einem Rapid-Prototyping- Verfahren in Schichten
(3) aus einem leitfähigen Material aufgebaut, das in Schichten (3) aufgebaute Werkstück (21) wird anodisch kontaktiert, ein Werkzeug (1) wird gegen über einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (21) derart angeordnet, dass ein Spalt (50) verbleibt, - das Werkzeug (1) wird kathodisch kontaktiert, und ein leitfähiges Medium (32) wird in den Spalt (50) gebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück (21) gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück (21) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (21) mittels Laserstrahlsintern, Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzverfahren oder Elektronenstrahlsinterverfahren hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Werkstücks (21) in Schichtbauweise zumindest ein Kanal erzeugt wird, der zur Außenseite des Werkstücks (21) führt, um ein leitfähiges Medium (32) beim Benutzen einer Elektrode in dem ECM- Verfahren in einen Arbeitsspalt (50) zwischen Elektrode und Werkstück (21) zuzuführen.
4. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend zumindest folgende
Schritte: ein metallisches Werkstück (21) wird anodisch kontaktiert, ein mittels einem Rapid-Prototyping- Verfahren in Schichten (3) aufgebautes
Werkzeug (1) wird gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks (21) derart angeordnet, dass ein Spalt (50) verbleibt, das Werkzeug (1) wird kathodisch kontaktiert, und ein leitfähiges Medium (32) wird in den Spalt (50) gebracht, so dass durch
Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück (21) gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück (21) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (21) mittels Lasersintern/Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelz/sinter- Verfahren hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug .
(1) aus einzelnen nicht leitfähigen Schichten (3) aufgebaut wird und zumindest ein Teil der Außenseite des Werkzeugs (1) mit einer leitfähigen Schicht (2) versehen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht
(2) durch Galvanisieren, Pulverbeschichten, Wirbelstromsintern, Auftragsschweißen, Laserbeschichten oder durch ein PVD- oder C VD- Verfahren auf dem Werkzeug (1) aufgebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
Werkzeug (1) mittels Stereolithographie, SLS, FDM, LOM, MJM oder Polyjet hergestellt wird.
9. Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode (1) zu verwendenden Werkzeugs, das zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21) bestimmt ist, umfassend zumindest die Schritte:
Herstellen der Elektrode (1) mittels einem Rapid-Prototyping- Verfahren in Schichtbauweise, wobei hierbei eine für das Abtragen des Werkstücks (21) im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur erzeugt wird,
Aufbringen einer Metallschicht (2) auf zumindest einem Teil der Außenseite der hergestellten Elektrode (1), falls deren Schichten aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bestehen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen der Elektrode (1) in Schichtbauweise zumindest ein Kanal (53, 55) erzeugt wird, der zur Außenseite der Elektrode (1) führt, um ein leitfähiges Medium (32) beim Benutzen der Elektrode (1) in dem ECM-Verfahren in einen Arbeitsspalt (50) zwischen Elektrode (1) und Werkstück (21) zuzuführen.
11. Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode (1) zu verwendenden Werkzeugs zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend zumindest die Schritte:
Herstellen einer Gussform (60) in einem Rapid-Prototyping-Verfahren aus einer Vielzahl von Schichten (61), deren Innenkonturen durch das Abformen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur eines Elektrodenkörpers (1) bilden,
Gießen eines Elektrodenkörpers (1) in der hergestellten Gussform (1), wodurch die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) erzielt wird, und
Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht (2) auf zumindest einem Teil der Oberfläche des gegossenen Elektrodenkörpers (1), falls der Elektrodenkörper (1) selbst aus einem nicht leitfähigen Material besteht.
12. Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode (1) zu verwendenden Werkzeugs zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend zumindest die Schritte:
Herstellen eines Körpers (1) in einem Rapid-Prototyping-Verfahren aus einer
Vielzahl von Schichten (3), deren jeweilige Konturen (5, 9) zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des
Elektrodenkörpers (1) bilden,
Abformen des aus einer Vielzahl von Schichten (3) bestehenden Körpers (1) zur
Herstellung einer Gussform , deren Innenkontur durch das Abformen die zum Abtragen eines
Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) hat, - Gießen eines Elektrodenkörpers (1) in der hergestellten Gussform, wodurch die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des
Elektrodenkörpers (1) erzielt wird, und
Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht (2) auf zumindest einem Teil der
Oberfläche des gegossenen Elektrodenkörpers (1), falls der Elektrodenkörper (1) selbst aus einem nicht leitfähigen Material besteht.
13. Elektrode zur Verwendung in einem ECM-Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend: einen Elektrodenkörper (1) aus einer Vielzahl von in einem Rapid-Prototyping- Verfahren hergestellten Schichten (3), deren jeweilige Konturen zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) bilden, und - eine elektrisch leitfähige Schicht (2) auf zumindest einem Teil der Oberfläche des
Elektrodenkörpers (1), falls die Schichten nicht aus einem leitfähigen Material bestehen.
14. Elektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (3) des Elektrodenkörpers (1) derart geformt sind, dass zumindest ein Kanal (53, 55) in dem Elektrodenkörper (1) ausgebildet ist, der das Zu- und/oder Abführen eines Mediums (32) im Umgebungsbereich der Elektrode erlaubt.
15. Elektrode zur Verwendung in einem ECM- Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend: - einen Elektrodenkörper (1) mit einer zum Abtragen eines Werkstücks (21) im
ECM- Verfahren gewünschten Außenkontur, wobei der Elektrodenkörper (1) durch Giessen in einer Gießform (60) hergestellt ist, deren Innenkontur durch Abformen eines Körpers festgelegt ist, der aus einer Vielzahl von in einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellten Schichten besteht, deren jeweilige Konturen zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) bilden, und eine elektrisch leitfähige Schicht (2) auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Elektrodenkörpers (1), falls der Elektrodenkörper (1) selbst aus einem nicht leitfähigen Material besteht.
16. Elektrode zur Verwendung in einem ECM- Verfahren zum elektro-chemischen
Bearbeiten eines Werkstücks (21), umfassend: einen Elektrodenkörper (1) mit einer zum Abtragen eines Werkstücks (21) im
ECM- Verfahren gewünschten Außenkontur, wobei der Elektrodenkörper (1) durch Giessen in einer Gießform (60) hergestellt ist, die aus einer Vielzahl von in einem Rapid-Prototyping- Verfahren hergestellten Schichten (61) besteht, deren jeweilige Innenkonturen zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks (21) im ECM- Verfahren gewünschte
Außenkontur des Elektrodenkörpers (1) bilden, und eine elektrisch leitfähige Schicht (2) auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Elektrodenkörpers (1), falls der Elektrodenkörper (1) selbst aus einem nicht leitfähigen Material besteht.
17. Elektrode nach einem der Ansprüche 13 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Elektrodenoberfläche eine definierte Oberflächenstruktur besitzt, die bei der Herstellung des Elektrodenkörpers (1) durch die Schichtbauweise festgelegt ist.
18. Elektrode nach einem der Ansprüche 13 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlusseinrichtung (17) vorhanden ist, mit der eine Spannung an die Elektrode (1) anlegbar ist.
19. Elektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolytanschluss vorhanden ist, der mit dem zumindest einen Kanal (53, 55) in dem Elektrodenkörper (1) in Verbindung steht, so dass Elektrolyt in den Kanal (53, 55) zuführbar ist.
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