Leitfaden zum Elektroerosionsverfahren (EDM)

Elektrische Hochspannungsfunken erodieren die Oberfläche des Werkstücks oder schneiden die Kontur durch Verdampfen von Materialien heraus. Dies macht die Funkenerosion zu einem der präzisesten Verfahren zur Bearbeitung von Metallen. Bei diesem Verfahren werden Materialien vom Werkstück abgetragen und gleichzeitig eine Textur erzeugt.

Prozess-Einführung

Die funkenerosive Bearbeitung (EDM) hat den Formenbau und die Herstellung von Metallprototypen revolutioniert. Dieses Verfahren ist hochpräzise und kann zur Bearbeitung von Metallen und zur Erzeugung von Oberflächentexturen eingesetzt werden. Die Funkenerosion ist die ideale Methode für die Herstellung von Formen, die beim Spritzgießen und anderen Kunststoffformverfahren verwendet werden. Der Formenbau ist der größte Anwendungsbereich für dieses Verfahren.

Es gibt zwei Arten von EDM-Verfahren: Senkerodieren (auch als Funkenerosion bekannt) und Drahterodieren (auch als Drahterosion bekannt). Ersteres kann zum Bohren von Löchern, zur Erzeugung von Oberflächenstrukturen und zur Bearbeitung komplexer Geometrien tief im Inneren von Metallteilen eingesetzt werden. Letzteres funktioniert ähnlich wie das Schneiden von Polymerschaum mit einem heißen Draht und wird für die Bearbeitung von Innen- und Außenkonturen mit parallelen oder konischen Kanten verwendet. Zusammengenommen bieten diese Verfahren den Metallarbeitern zahlreiche Möglichkeiten, ihr Können unter Beweis zu stellen.

Typische Anwendungen

Die DEM-Ausrüstung ist sehr teuer und daher auf Anwendungen beschränkt, die eine hochpräzise Bearbeitung, die Bearbeitung von gehärtetem Stahl und anderen Metallen erfordern, die für die CNC-Bearbeitung nicht geeignet sind. In der Formenbauindustrie wird es häufig für Spritzguss, Metallguss und Schmieden eingesetzt. Sie wird auch im Modellbau, bei der Herstellung von Prototypen und bei der Produktion von Kleinserien, in der Regel mit nicht mehr als 10 Teilen, eingesetzt.

Verwandte Prozesse

Das Senkerodieren wird häufig in Verbindung mit der CNC-Bearbeitung eingesetzt. Die für das Senkerodieren verwendeten Elektroden (Formen) werden mit traditionellen Metallbearbeitungstechniken bearbeitet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Bei diesen Formen für das Senkerodieren zeigt der Glanz des schwarz verdampften Metalls den Schnittbereich an.

Komplexe Formen werden jedoch manchmal mit dem Drahterodierverfahren geschnitten, und die beiden Verfahren können auch kombiniert werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Diese sehr kleine Form für das Senkerodieren wurde mit dem Drahterodierverfahren geschnitten. Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung ist dieses Teil zu klein und zu komplex.

In Anwendungsbereichen, die präzise und komplexe innere Merkmale erfordern, hat das Senkerodieren die CNC-Bearbeitung ersetzt. Die Senkerosion wird eingesetzt, weil sie geometrische Formen erzeugen kann, die mit anderen Verfahren nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind. Die Bearbeitung der inneren Merkmale von Werkstücken, insbesondere von solchen aus Hartmetall, ist für die CNC-Bearbeitung nahezu undurchführbar. Dies liegt daran, dass dafür sehr präzise Schneidwerkzeuge erforderlich sind, die schnell verschleißen.

Alternativen zum Drahterodieren sind das Wasserstrahlschneiden, das Laserschneiden und das Hochenergiestrahlschweißen für bestimmte Umform- und Bohrverfahren. Alle diese Verfahren sind mit hohen Ausrüstungskosten verbunden, so dass die Wahl hauptsächlich von der verfügbaren Ausrüstung abhängt. Das Drahterodieren eignet sich für Teile mit einer Dicke von bis zu 200 mm und erfordert außerdem eine hohe Maßgenauigkeit, parallele Schnittwände und kontrollierbare Oberflächenstrukturen.

Qualität

Die Qualität der mit EDM bearbeiteten Teile ist sehr hoch. Sie können ohne weitere Nachbearbeitung zur Herstellung von Spritzgießformen verwendet werden. Die Oberflächenrauhigkeit wird nach der VDI-Skala des Vereins Deutscher Ingenieure gemessen (Abbildung 3). Die VDI-Skala entspricht einer durchschnittlichen Rauheit (Ra) von 0,32 - 18 μm. Viele Kunststoffprodukte, die wir heute kennen, werden aus Formen hergestellt, die durch Erodieren geformt und oberflächenbehandelt wurden.

Abbildung 3: Die VDI-Skala wird zur Messung der Oberflächenbeschaffenheit verwendet.

Die Oberflächenqualität und die daraus resultierende Textur werden durch die Schnittgeschwindigkeit und die Spannung bestimmt. Hohe Spannung und hohe Schnittgeschwindigkeit erzeugen eine raue Textur. Eine niedrigere Spannung, eine langsamere Schnittgeschwindigkeit und mehr Durchgänge führen zu einer feineren Oberflächentextur. Es können Teile mit einer Genauigkeit von bis zu 5 μm hergestellt werden.

Design-Möglichkeiten

Für Designer liegt der Hauptvorteil dieses Verfahrens in der Möglichkeit, Metall zu schneiden und gleichzeitig Texturen aufzubringen. Matte und glänzende Texturen werden in der Regel nach der Bearbeitung durch Sandstrahlen oder Fotoätzung aufgebracht. Die feinen Texturen, die beim Erodieren erzeugt werden, werden durch die Maschineneinstellungen bestimmt und erfordern keine weitere Bearbeitung. Mit diesen Verfahren lassen sich Geometrien herstellen, die durch herkömmliche Bearbeitung nicht erreicht werden können. So können sich beispielsweise die Führungsköpfe vieler Drahterodiermaschinen während des Schneidens unabhängig voneinander bewegen. Dies hat den Vorteil, dass komplexe Kegel mit bis zu 30° mit einer extremen Präzision geschnitten werden können, was mit anderen Bearbeitungsmethoden nicht möglich ist.

Das Senkerodieren kann zur Herstellung von Innengeometrien von Teilen verwendet werden, die mit der herkömmlichen Bearbeitung nicht erreicht werden können. Das liegt daran, dass die negative Kupferelektrode in eine Form gebracht werden kann, die nicht dem Hohlraum entspricht. Die negative Elektrode (die Form) wird im Werkstück nachgebildet, wodurch scharfe Ecken und komplexe Merkmale entstehen. Die Korrosion der Kupferelektrode (des Werkzeugs) ist viel langsamer als die des Werkstücks (0,1%), so dass kleine Innenradien und komplexe Merkmale mit der gleichen Genauigkeit reproduziert werden wie einfache Geometrien.

Das Drahterodieren wird in ähnlicher Weise wie das Schneiden von Polymerschaum mit einem heißen Draht verwendet, ist jedoch präziser und hat einen längeren Bearbeitungszyklus. Die Ausrüstung erfordert ein hohes Maß an Bedienungskompetenz.

Während des Prozesses wird keine Spannung auf die Elektrode (Form oder Draht) oder das Werkstück ausgeübt, da das Metall nicht mit Gewalt geformt wird. Stattdessen wird es durch Verdampfung von der Oberfläche durch Hochspannungsfunken geformt. Neben diesem offensichtlichen Vorteil bietet diese Technologie auch viele weitere Verarbeitungsvorteile. Zum Beispiel können beim Drahterodieren mehrere dünnwandige Teile übereinander gestapelt werden, was die Bearbeitungszeit verkürzen kann.

Technische Beschreibung des Senkerodierens

Beim Senkerodieren werden die Elektrode (Form) und das Werkstück in ein leichtes, paraffinähnliches Öl getaucht. Diese Flüssigkeit fließt kontinuierlich. Sie kann die Temperatur des Werkstücks stabil halten und die verdampften Materialien wegspülen. Außerdem wirkt sie isolierend, wodurch der Arbeitsbereich abgeschirmt und die elektrostatische Entladung aufrechterhalten wird.

Die Kupferelektrode (Werkzeug) und das Metallwerkstück kommen in engen Kontakt und lösen die Funkenerosion aus. Elektrische Hochspannungsfunken springen von der Elektrode auf das Metall. Die Funken springen zwischen den nächstgelegenen Punkten der Elektrode und des Werkstücks hin und her, was zu einem kontinuierlichen und gleichmäßigen Abtrag von Oberflächenmaterial führt.

Technische Beschreibung des Drahterodierens

Bei diesem Verfahren wird der Elektrodendraht, der in der Regel aus Kupfer oder Messing besteht, zwischen der Vorratsspule und der Aufnahmespule platziert. Er wird mit Hochspannung aufgeladen, und beim Durchgang des Elektrodendrahtes durch das Werkstück kommt es zu elektrischen Entladungen. Ähnlich wie beim Senkerodieren entstehen die elektrischen Funken im kleinsten Spalt zwischen den Metallen. Pro Sekunde werden Tausende von Funken erzeugt, die eine sehr geringe Menge Metall von der Oberfläche des Werkstücks verdampfen. Der Elektrodendraht wird nicht recycelt, sondern kontinuierlich ausgetauscht, um die Präzision des Bearbeitungsprozesses zu erhalten.

Dieser Prozess wird in de-ionisiertem Wasser mit einer konstanten Temperatur von 20°C durchgeführt. Das Wasser fließt kontinuierlich, um die Abfallstoffe wegzuspülen, und wird durch ein Filtersystem recycelt.

Die obere Drahtführung ist entlang der x- und y-Achse beweglich und erlaubt einen maximalen Schnittwinkel von bis zu 30°.

Überlegungen zur Gestaltung

Obwohl mit diesen Verfahren Innenradien von bis zu 30μm erzeugt werden können, werden häufig größere Radien verwendet. Dies geschieht, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Bei den meisten Anwendungen muss der Innendurchmesser in der Regel nicht mehr als 500μm betragen. Der Mindestinnendurchmesser hängt von der Dicke des Elektrodendrahts ab. Der Durchmesser des Elektrodendrahts liegt im Allgemeinen zwischen 50 und 300 μm.

Die Dicke der Materialien, die durch Drahterodieren bearbeitet werden können, variiert von 0,1 mm bis 200 mm. Dies hängt von den Fähigkeiten des Geräts ab. Bei Senkerodiermaschinen ist die Tiefe, die sie erreichen können, dadurch begrenzt, wie leicht das verdampfte Metall (Schwarzpulver) weggespült werden kann. Die maximale Tiefe hängt also vom Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser ab. Die Herstellung sehr tiefer Konturen ist möglich, erfordert aber eine zusätzliche Spülung, wodurch sich der Bearbeitungszyklus verlängert.

Während des Betriebs ist kein Druck erforderlich. Die Elektrode taucht langsam in das Werkstück ein. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit hängt von der erforderlichen Oberflächenbehandlung ab. Bei einer sehr groben Oberflächenbehandlung kann die Geschwindigkeit von 2 mm³ pro Minute bis zu über 400 mm³ pro Minute reichen. Wenn die Form in das Werkstück sinkt, wird sie ständig gerührt und sinkt spiralförmig nach unten. Dadurch wird das verdampfte Material aus dem Schneidbereich herausgespült und ein gleichmäßiger und effizienter Materialabtrag gewährleistet.

Geeignete Materialien

Viele Metalle können durch Senkerodieren geformt werden. Die Härte des Materials spielt bei diesem Verfahren keine Rolle. Metalle wie rostfreier Stahl, Werkzeugstahl, Aluminium, Titan, Messing und Kupfer werden häufig auf diese Weise geformt.

Bearbeitungskosten

Das Drahterodieren benötigt keine Form. Aber der Elektrodendraht wird während des Prozesses ständig verbraucht, so dass er ersetzt werden muss.

Die Formen für das Senkerodieren werden normalerweise aus Kupferlegierungen hergestellt. Sie können durch traditionelle Bearbeitung oder Drahterodieren hergestellt werden. Die Formen sind nicht sehr teuer, aber für präzise Teile wird für jeden Arbeitsgang eine neue Form benötigt.

Verschiedene Faktoren können den Bearbeitungszyklus beim Senkerodieren beeinflussen. Beim Drahterodieren wird der Zyklus durch die Dicke des Materials beeinflusst. Dickere Materialien benötigen mehr Leistung und mehr Elektrodendraht. Wird beispielsweise ein 36 mm dickes Stück gehärteten Stahls mit einer Geschwindigkeit von 1,5 mm pro Minute geschnitten, ergibt sich eine gleichmäßige matte Oberfläche. Eine Verlangsamung der Schnittgeschwindigkeit oder mehr Schnittdurchgänge führen zu einer feineren Textur. Eine Verkürzung des Bearbeitungszyklus führt zu einer raueren Oberfläche.

In ähnlicher Weise wird der Bearbeitungszyklus des Senkerodierens durch den Schneidbereich und die erforderliche Oberflächenrauheit bestimmt. Bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 4mm³ - 400mm³ pro Minute ist die innere Geometrie in der Regel rau, was bedeutet, dass eine raue Oberfläche erzeugt wird. Wenn später eine neue Form verwendet wird, verlängert sich der Bearbeitungszyklus erheblich. Bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 2 mm³ pro Minute kann eine sehr feine Oberfläche erzielt werden. Feine Oberflächentexturen sind also besser für kleinere Flächen geeignet.

Auswirkungen auf die Umwelt

Dieses Verfahren erfordert eine große Menge an Energie, um das Metallwerkstück zu verdampfen und benötigt keine weiteren Behandlungen wie Sandstrahlen oder Fotoätzen.

Das Dielektrikum kann kontinuierlich recycelt werden, und auch die Metallelektroden eignen sich für das Recycling. Allerdings entsteht beim Betrieb Rauch, der gewisse Risiken mit sich bringen kann.

Fallstudie

Gehäuse der Matrize - Senkerodieren

Dieses Verfahren ist im Formenbau weit verbreitet. Neben der Bearbeitung der gesamten Kavität für das Spritzgießen wird es häufig zur Modifizierung bestehender Formen eingesetzt. Es kann auch zum Bohren von Löchern oder zum Gravieren von Oberflächentexturen und Mustern verwendet werden. In diesem Fall erzeugt RAPID PROTOS einen Hohlraum, der direkt in die Oberfläche von kohlenstoffreichem Stahl geformt wird (Abbildung 1). Ohne Senkerodieren ist es unmöglich, komplexe und präzise Kavitäten in Hartmetallen herzustellen.

Die Elektrode aus einer Kupferlegierung (Form) wird in das Spannfutter eingesetzt (Abbildung 2). Die Senkerodiermaschine wird mit den für die Form erforderlichen Einstellungen programmiert. Der schwarze Bereich zeigt den Teil der Form, der der Funkenerosion ausgesetzt ist. Jede Form kann 5 Mal verwendet werden, bevor sie ersetzt wird. Wenn ein hohes Präzisionsniveau erforderlich ist, müssen für jeden Senkvorgang neue Formen hergestellt werden, einschließlich Schrupp- und Schlichtformen.

Die Form und das Werkstück werden eingelegt und in eine dielektrische Flüssigkeit getaucht, die dem Paraffin ähnelt (Abbildung 3). Tatsächlich wurde Paraffin früher als Isolierflüssigkeit verwendet, bis diese dielektrische Flüssigkeit entwickelt wurde.

Während des Schruppschneidens entstehen elektrische Funken und Rauch (Abbildung 4). Die Kupferelektroden führen einen elektrischen Strom. Wenn sie sich sehr nahe am Werkstück befinden, springt der Strom auf das entgegengesetzt geladene Werkstück über. Es entstehen Tausende von Funken pro Sekunde. Jeder Funke verdampft ein kleines Stück Oberflächenmaterial.

Der Lichtbogen springt über den kürzesten Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück und sorgt so für einen gleichmäßigen Abtrag der Metalloberfläche. In der Schruppschneidphase werden etwa 400 mm³ Metall pro Minute abgetragen, und die resultierende Oberfläche ist sehr rau (Abbildung 5).

Die zweite Stufe der Verarbeitung ist wesentlich langsamer. In diesem Fall werden 50 mm³ Metall pro Minute verdampft (Abbildung 6). Dadurch entsteht eine feinere Oberflächenstruktur (Abbildung 7). Dies ist ein relativ flacher Hohlraum. Senkerodieren kann auch zur Herstellung sehr tiefer Kavitäten verwendet werden.

Fall von Draht - EDM

Im Gegensatz zum Senkerodieren, das zur Herstellung von Innennuten verwendet wird, können mit dem Drahterodieren sowohl Innen- als auch Außenkonturen geschnitten werden. Der Draht für das Drahterodieren wird unter Spannung gehalten, um gerade Linien zu schneiden. Die Führungsköpfe bewegen sich nebeneinander und hin und her entlang der x- und y-Achse, um Konturen zu formen. Sie bewegen sich auch unabhängig voneinander entlang der x-Achse und einer anderen Achse (vermutlich ein Schreibfehler, in einem 3D-Kontext könnte es die z-Achse sein), um Kegel zu formen. Der Draht funktioniert wie die Kupferform, die beim Senkerodieren verwendet wird, und der Draht besteht normalerweise aus einer Kupferlegierung.

In diesem Fall gibt es viele Schneidvorgänge. Diese Reihe von Abbildungen zeigt einen der Arbeitsgänge, dessen Prinzip auch auf alle anderen Drahterodiervorgänge angewendet werden kann. Das teilweise bearbeitete Werkstück aus kohlenstoffreichem Stahl (Abbildung 1) wird in die Spannvorrichtung gelegt und fest eingespannt. Ein kleines Loch wird gebohrt, damit der Elektrodendraht automatisch hindurchgeführt werden kann (Abbildung 2).

Der Führungskopf nähert sich dem Werkstück zur genauen Positionierung. Sowohl das Werkstück als auch der Elektrodendraht werden in de - ionisiertes Wasser getaucht, das als Isolator wirkt (Abbildung 3). Sobald sie eingetaucht sind, beginnt der Schneidprozess (Abbildung 4). Dies ist ein langwieriger Prozess. In diesem Fall wird durch das Schneiden eines 36 mm langen Werkstücks bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 15 mm pro Minute der gewünschte Oberflächeneffekt erzielt.

Der gesamte Schneidprozess dauert etwa 2 Stunden. Danach wird das Teil entnommen und gereinigt (Abbildung 5). Die Genauigkeit des Teils kann mit einem Mikrometer gemessen werden (Abbildung 6). Am fertigen Produkt kann der Schnitt identifiziert werden, d. h. von der vorgebohrten Öffnung bis zu der Stelle, an der der Draht auf der Schnittfläche geschnitten wird (Abbildung 7). Links ist das Teil vor dem Schneiden zu sehen, in der Mitte das fertige Werkstück und rechts das entfernte Material.