Funk_ECM

Universität Stuttgart

Institut für Zeitmeßtechnik, Fein- und Mikrotechnik H.Kück, 08.07.03

Funkenerosion (EDM = Electro Discharge Machining)(B.I. + N.R. Lazarenko 1943)

Unter Funkenerosion versteht man das Trennen mittels elektrothermischem Abtragen,wobei der Abtrag des Werkstoffs durch Funkenentladung geschieht. Dazu befindensich Werkstück und Werkzeug in einem Dielektrikum (Wasser). Zwischen beiden wirdein Hochspannungsimpuls angelegt, der zum Funken führt.

Schema einer Senkerodiermaschine

Senken Schneiden Schleifen



Merkmale des Funkenerosionsprozesses• Alle leitfähigen Werkstoffe sind erodierbar.

• Als Werkzeuge werden Werkstoffe verwendet, die sehr gut zerspanbar sind und gutelektrisch leiten, z.B. spezielle Cu-Legierungen (CuW) oder Graphit.

• Die Oberflächenqualität hängt von der eingestellten Höhe der Spannung ab und vomArbeitsspalt. Hohe Spannung ergibt zusammen mit einem großen Arbeitsspalt größereKrater, d.h. hoher Abtrag aber raue Oberflächen.

• Mehrere Arbeitsgänge sind entsprechend der gewünschten Oberflächenqualität, erforderlich: Schruppen, Schlichten, und Feinschleifen. Dazu werden mehrere Werkzeuge benötigt.

R a [µm] Vw spez

⋅ minAmm 3

θ [ % ]

Schruppen > 3 4,5 – 9,0 0,2 – 0,01Schlichten 0,8 – 3 0,3 – 4,5 2,4 – 0,2Feinschlichten 0,5 – 0,8 < 0,3 > 15 – 2,4

• Wichtige Parameter: Abtragsrate [mm3/min] VW

Verschleißrate [mm3/min] VE

spezifische Abtragsrate VW spez = Vw / I relativer Verschleiß θ = VE / VW



Formerzeugung mit einer Senkerodieranlage

Für die Mikrofunkenerosion wird mit rotationssymmetrischer Elektrode und zum Teil mit rotier-endem Elektrodenhalter gearbeitet.

Die Formgenerierung geschieht durch Absenken einer strukturierten Stempelelektrode oderdurch gesteuerte Elektrodenbewegung einer Stabelektrode, z.B. Planetärerosion (rechts). DieStempelelektrode wird u.a. durch spanende Bearbeitung oder Schleifen hergestellt.

Schema einer Senkerodieranlage



Merkmale der Mikrofunkenerosion•Werkstückwerkstoffe: Hartmetall, Edelstahl, Ti, leitfähige Keramik, Halbleiter

Herstellungsverfahren Werkstoffe

EDM W, CuSpanende Bearbeitung Ms, Cu, Al, (Graphit)LIGA – Technik Cu, Ag, (Ni)

•Dielektrikum: Deionisiertes Wasser

•Mikro-Generator für Mikro-EDM: geringe Pulsenergie, MHz

Leistungsdaten Mikrosenkerodieren Leistungsdaten Feindrahtschneiden

Durchmesser > 25 µm Schnittbreite 35 µm Aspektverhältnis < 90 Aspektverhältnis < 1000 Ra > 0,1 µm Ra > 0,1 µmStegbreiten > 100 µm Drahtdurchmesser > 30 µmFunkenspalt > 5 µm Konturtreue ± 1 µmInnenradien > 10 µm Radien > 20 µmWerkzeugverschleiß > 50% - 300%~

• Werkzeugelektroden:





Mikro - EDM mit LIGA - Elektroden

Spinndüsen Extrusionsdüsen LIGA - Elektroden



Herstellung von Elektroden durch Funkenerosion

Mit Wolframkarbid - Block Mit Feindraht

Beim Feindrahtschneiden (Bild rechts) wird ein dünner Draht als “primäres Werkzeug“ einge-setzt. Man kann sich vereinfachend vorstellen, dass man mit diesem Draht wie mit einer Laub-säge arbeiten kann!



Elektroden für dasfunkenerosive Fräsen

Elektroden für das funkenerosive Bohren (∅ 40 µm links, ∅ 12 µm rechts)



Durch funkenerosives Fräsen und Bohren hergestellte Teile

Bondwerkzeug

Mikrogreifer



Drahterodieren von Mikroteilen

Ra = 0,1µm Winkel: ± 15°

Das konische Blendensystem wurde durchIneinanderstecken von drahterodierten Teilen(oben links) aufgebaut.



Drahterodieren von Mikroinstrumenten aus Nickel-TitanNiTi ist superelastisch (elastische Dehnung 8%) bio -verträglich, nicht toxisch und beständig.

Die Betätigung derFasszange, d.h. dasÖffnen/Schließen unddas Abwickeln geschiehtdurch verschieben derineinandergesetztenHohlkörper bzw. deszentrierten NiTi-Drahtes.

Drahterodieren derZange aus einemNiTi-Draht

Aufbau einer Mikrofasszange



REM-Aufnahme einer geöffneten MikrofasszangeDurch Verschieben des längsbeweglichen PTFE-Schlauches werden die geöffneten Maulteilezusammengedrückt

Material: TiNi Formgebung: Mikrofunkenerosion Quelle: Forschungszentrum Karlsruhe



U(t)Pulser

Potentiostat

Werkstück

WE

RE

Elektrolyt

CE

Schema des elektrochemischen Fräsen mit kurzen Spannungsimpulsen

U (t) = U0 + U (t)

We: Werkzeugelektrode

CE: Gegenelektrode

RE: Referenzelektrode



Prototyp einer 3-Achsen-ECM-Maschine(ähnlich 3-Achsen-Fräsmaschine)

Werkzeugaufnahme

Arbeitsplattform

Werkzeugmagazin

Aufspannen undKontaktieren desWerkstücks

X,Y,Z-PositioniersystemAuflösung: 0,1 µm

Elektrolytbehälter

Werkzeugadapter

Arbeitsraum: 25 x 25 x 25 mm3

Werkzeuge: Wolfram-Draht ∅ 5... 100 µm



ECF Werkzeuge, herstellbare standard WKZ-Typen

• Stichel, Spitze

• Radienfräser

• Schaftfräser

• Kugelfräser



Beispiele von Strukturen in 1.4301 Edelstahl




Institut für Zeitmeßtechnik, Fein- und Mikrotechnik

Arb

eits

abst

and

in µ

m

Pulsweite in ns

3 ns500 ps

25ns

50 ns

Bearbeitungsgenauigkeit ist proportional der Pulslänge

Weitere Merkmale:

- Kräftefreie Bearbeitung

- Keine thermische Belastung der Randzone

- Kein Werkzeugverschleiß

Quelle: FHI, Berlin



Bearbeitungsparameter:

Werkzeugdurchmesser = 18 µmPulsweite Schruppen = 159 nsPulsweite Schlichten = 60 nsPulshöhe: = 2,2 V

REM-Aufnahme einer Teststruktur

Bearbeitungsparameter:

Werkzeugdurchmesser = 30 µmPulsweite Schruppen = 150 nsPulsweite Schlichten = 50 nsPulshöhe = 2,3 V



Einsatzfelder der Funkenerosion• Werkzeuge, Formen aus harten verschleißfesten Werkstoffen

• Prototypen

• Produktion bei kleinen Stückzahlen

Beispiele für die Geometrievielfalt beim Funkenerodieren

Einfache Strukturen: Einspritzdüsen



Beispiele für die Formvielfalt beim Funkenerodieren



Ablauf des ErodierprozessNach Anlegen des elektrischen Spannungsimpulsesbaut sich das elektrische Feld im Arbeitsspalt auf.Dabei ist die Feldstärke an der engsten Stelle amhöchsten. Freie Ladungsträger nehmen im FeldEnergie auf und heizen das Dielektrikum auf, wobeies zur Bildung von Glasbläschen kommt. Hierdurchverstärkt sich die Energieaufnahme und es kommtzur Ausbildung eines „winzigen“ Plasmakanals ander engsten Stelle im Arbeitspalt (2). Dabeientstehen sehr hohe Drücke bis 3000 bar undTemperaturen bis 40.000 K. Das elektrische Feldbricht zusammen durch den leitenden Plasmakanalund die Glasblase implodiert (3). Durch die hoheTemperatur und den Schalldruck wird der Werkstoffin einem Krater abgetragen. Die Spannung ist sogepolt, dass die Ionen im Plasma auf das Werkstücktreffen und die Elektronen auf das Werkzeug.Dadurch wird der Abtrag des Werkstücks wesentlichhöher als der des Werkzeugs.

1.)

2.)

3.)

Werkzeug

Werkstück



Kenngrößen:

Impulsdauer t i

Periodendauer t p

Zündspannung Û i

Entladespannung Ue

Entladestrom I e

Zeitlicher Ablauf des Entlade- / Abtragungsvorgang

REM-Aufnahme eines “Kraters“beim Funkenerodieren

Die Impulsdauer liegt im Bereich einiger 10 µsdie Periodendauer ist etwa 3...4 mal länger.Die Spannungen betragen einige 100 V.



Veränderungen der Materialeigenschaften durch dieFunkenerosion

geschmolzenen und wiedererstarrte Schicht

gehärtete Schicht

getemperte Schicht

Durch die Aufheizung des Werkstoffs entsteht eine Schmelzzone an der Oberfläche die wiedererstarrt. Die darunter liegende Schicht wird durch Erwärmen und Abkühlen im Dielektrikumgehärtet. Weiter in die Tiefe des Werkstücks wird der Werkstoff getempert. D.h. das Gefügesteht an der Oberfläche unter erheblichen inneren Spannungen.



Merkmale des Funkenerosionsprozesses• Alle leitfähigen Werkstoffe sind erodierbar.

• Für Werkzeuge werden Werkstoffe verwendet, die sehr gut zerspanbar sind und gutelektrisch leiten, z.B. spezielle Cu-Legierungen (CuW) oder Graphit.

• Die Oberflächenqualität hängt von der eingestellten Höhe der Spannung ab und vomArbeitsspalt. Hohe Spannung ergibt zusammen mit einem großen Arbeitsspalt größereKrater, d.h. hoher Abtrag aber raue Oberflächen.

• Mehrere Arbeitsgänge sind entsprechend der gewünschten Oberflächenqualität, erforderlich: Schruppen, Schlichten, und Feinschlichten. Dazu werden mehrere Werkzeuge benötigt.

R a [µm] Vw spez

⋅ minAmm 3

θ [ % ]

Schruppen > 3 4,5 – 9,0 0,2 – 0,01Schlichten 0,8 – 3 0,3 – 4,5 2,4 – 0,2Feinschlichten 0,5 – 0,8 < 0,3 > 15 – 2,4Mikrostrukturen 0,5 – 0,8 < 0,3 100 – 300

• Wichtige Parameter: Abtragsrate [mm3/min] VW

Verschleißrate [mm3/min] VE

spezifische Abtragsrate VW spez = Vw / I relativer Verschleiß θ = VE / VW

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