Funkenerosion mit additiv gefertigtem WC

Jun 21, 2023

Verwandte Anbieter

Forscher nutzen nun das Potenzial der additiven Fertigung weiter aus, um Werkzeugelektroden aus Wolframcarbid-Kobalt für die Funkenerosion mit Blick auf industrielle Anwendungen herzustellen.

Die zunehmende Komplexität der Bauteile und die kontinuierlichen Fortschritte im Werkzeug- und Formenbau erfordern ständige Weiterentwicklungen von Fertigungsverfahren wie der Funkenerosion (EDM). Dies geschieht beispielsweise durch die Entwicklung neuartiger Prozessketten zur Herstellung komplexer Werkzeugelektroden. Additive Fertigung (AM) ermöglicht die Herstellung komplexer Werkzeugelektrodengeometrien mit internen Spülkanälen für Erodierprozesse mit wenigen konstruktiven Einschränkungen. Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) stellt einen geeigneten Werkstoff für Erodierwerkzeugelektroden dar, der eine hohe thermische und mechanische Stabilität aufweist und auch additiv verarbeitet werden kann. Dieser Artikel zeigt die ersten Ergebnisse von Studien zum Einsatz additiv gefertigter WC-Co-Werkzeugelektroden beim Senkerodieren. Beteiligt sind das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der Technischen Universität Berlin und das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK.

Dr.-Ing. M. Polte, Oberingenieur, IWF, Technische Universität Berlin; R. Hörl, M. Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter, IFW, Technische Universität Berlin; R. Bolz, M. Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter, IWF, Technische Universität Berlin; Th. Braun, M. Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter, IWF, Technische Universität Berlin; RJ Neuschäfer, B. Sc., Wissenschaftlicher Assistent, IMF, Technische Universität Berlin

Frühere Studien ([1], [2] und [3]) zum AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion von WC-Co-Material zeigten einen Einfluss der Energiedichte Ev auf den Kobaltgehalt CCo der hergestellten Proben. In der vorliegenden Studie wurden Werkzeugelektroden im AM-Verfahren mit vorgeheizter Bearbeitungskammer und WC-Co 83/17 (als Pulvermaterial) hergestellt und hinsichtlich ihres Einflusses auf den EDM-Prozess analysiert.

Durch Variation der Energiedichte im Bereich 300 J/mm3 ≤ Ev ≤ 900 J/mm3 in vier Schritten wurden der Kobaltgehalt CCo und die damit verbundenen Materialeigenschaften der Komponenten wie relative Dichte ρrel und elektrische Leitfähigkeit κ beeinflusst. Für jede Energiedichte Ev wurden zwei Proben hergestellt und entsprechend analysiert. Um die Eignung für das Senkerodieren zu bewerten, wurden weitere Tests mit additiv gefertigten Werkzeugelektroden durchgeführt. Die Proben wurden durch Bestimmung der Abtragsrate VW und des relativen Werkzeugverschleißes ϑrel für die jeweiligen EDM-Tests bewertet.

Darüber hinaus wurden numerische Simulationen durchgeführt, um die Innenspülung der Werkzeugelektroden zu untersuchen und so das Materialabtragsverhalten zu verbessern. Um die maximale Strömungsgeschwindigkeit v und den Volumenstrom V im Arbeitsspalt zu ermitteln, wurden drei verschiedene Spülkanalgeometrien untersucht. Die Versuche wurden für unterschiedliche Spülkanalquerschnitte im Bereich 0,196 mm2 < Ac < 0,785 mm2 und unterschiedliche Eingangsdrücke im Bereich 2 bar ≤ pc ≤ 40 bar durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigten, dass für AM-Prozesse mit einer Energiedichte von Ev = 500 J/mm3 die höchste relative Dichte bei ρrel = 87 Prozent erreicht werden konnte. Tatsächlich ist eine ausreichend hohe relative Dichte erforderlich, damit die mechanische Festigkeit σm der Werkzeugelektroden für den Einsatz beim Senkerodieren hohen Spüldrücken pS standhält. Die Proben, die mit einer Energiedichte von Ev = 900 J/mm3 hergestellt wurden, waren Aufgrund ihrer geringen relativen Dichte ρrel nicht für das funkenerosive Senkverfahren geeignet.

Die Messung des Kobaltgehalts CCo ergab die höchsten Werte bei Energiedichten von Ev = 300 J/mm3. Aufgrund des Messaufbaus zeigte sich ein Offset für die Werte des Kobaltgehalts. Bei Kobaltgehalten von CCo > 17 Prozent lässt sich zudem darauf schließen, dass beim AM-Prozess kein Kobalt verdampft wurde. Ein hoher Kobaltgehalt kann unter Umständen die elektrische Leitfähigkeit κ der Werkzeugelektrode erhöhen, was sich positiv auf den EDM-Prozess auswirkt. Dies konnte in den Senkerodierversuchen bestätigt werden. Dort war die Abtragsleistung mit V̇w = 5,53 mm3/min bei einer Energiedichte von Ev = 300 J/mm3 am höchsten.

Die Analyse des relativen Werkzeugverschleißes ϑrel ergab, dass die mit einer Energiedichte von Ev = 700 J/mm3 hergestellten Proben den höchsten relativen Werkzeugverschleiß aufwiesen, der bei 10,2 Prozent lag. Dies ist auf poröse Strukturen zurückzuführen, die durch den additiven Fertigungsprozess entstehen. Additiv gefertigte Proben mit einer Energiedichte von Ev = 300 J/mm3 und Ev = 500 J/mm3 zeigten mit ϑrel = 9,6 Prozent einen etwas geringeren Verschleiß. Daraus folgt, dass Energiedichten zwischen 300 und 500 J/mm3 am besten für die additive Fertigung von EDM-Elektroden geeignet sind. Dieser Bereich wird daher in Zukunft weiter untersucht.

Bitte geben Sie eine gültige E-Mail-Adresse ein.

Mit dem Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß der Einwilligungserklärung (für Details bitte erweitern) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Stand vom 23.03.2021

Selbstverständlich gehen wir stets verantwortungsvoll mit Ihren personenbezogenen Daten um. Alle personenbezogenen Daten, die wir von Ihnen erhalten, werden in Übereinstimmung mit den geltenden Datenschutzgesetzen verarbeitet. Detaillierte Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Hiermit erkläre ich mich einverstanden, dass die Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planckstr. 7-9, 97082 Würzburg einschließlich etwaiger verbundener Unternehmen gemäß §§ 15 ff. AktG (im Folgenden: Vogel Communications Group) meine E-Mail-Adresse zum Versand redaktioneller Newsletter nutzt. Eine Liste aller angeschlossenen Unternehmen finden Sie hier

Zu den Inhalten des Newsletters können alle Produkte und Dienstleistungen der oben genannten Unternehmen gehören, darunter beispielsweise Fachzeitschriften und Bücher, Veranstaltungen und Messen sowie veranstaltungsbezogene Produkte und Dienstleistungen, Print- und digitale Medienangebote und Dienstleistungen wie zusätzliche (redaktionelle) Newsletter, Gewinnspiele, Lead-Kampagnen, Marktforschung online und offline, Fachportale und E-Learning-Angebote. Sofern auch meine persönliche Telefonnummer erhoben wurde, kann diese für Angebote der oben genannten Produkte, für Dienstleistungen der oben genannten Unternehmen sowie für Marktforschungszwecke genutzt werden.

Für den Fall, dass ich geschützte Daten auf Internetportalen der Vogel Communications Group einschließlich etwaiger verbundener Unternehmen gemäß §§ 15 ff. DSGVO abrufe, Um mich für den Zugang zu diesen Inhalten registrieren zu können, muss ich gemäß § 7 Abs. 1 AktG weitere Daten angeben. Als Gegenleistung für diesen kostenlosen Zugang zu redaktionellen Inhalten dürfen meine Daten gemäß dieser Einwilligung für die hier genannten Zwecke genutzt werden.

Widerrufsrecht

Mir ist bekannt, dass ich meine Einwilligung jederzeit widerrufen kann. Durch meinen Widerruf wird die Rechtmäßigkeit der Datenverarbeitung, die aufgrund meiner Einwilligung bis zu meinem Widerruf erfolgt ist, nicht berührt. Eine Möglichkeit, meinen Widerruf zu erklären, besteht darin, das Kontaktformular unter https://support.vogel.de zu nutzen. Falls ich bestimmte von mir abonnierte Newsletter nicht mehr erhalten möchte, kann ich auch auf den Abmeldelink am Ende eines Newsletters klicken. Weitere Informationen zu meinem Widerrufsrecht und dessen Ausübung sowie den Folgen meines Widerrufs finden Sie in der Datenschutzerklärung, Rubrik Redaktionsnewsletter.

Darüber hinaus wurde ein numerisches Modell zur Untersuchung der internen Spülkanäle der Werkzeugelektroden entwickelt, um die Untersuchungen zeit- und ressourcenschonend durchführen zu können. Untersucht wurden runde, rechteckige und kleeblattförmige Spülkanalquerschnitte für unterschiedliche Eingangsdrücke Stift- und Spülkanalquerschnittsflächen Ac. Bei der Analyse der Strömungsgeschwindigkeit v im seitlichen Arbeitsspalt zeigte eine kleeblattförmige Geometrie die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten für jeden Einlassdruckstift und jede Spülkanalquerschnittsfläche.

Weitere Untersuchungen wurden im Bereich des frontalen Arbeitsspaltes durchgeführt. Hier kommt es beim EDM-Prozess zu den meisten Funkenentladungen und zu störenden Partikelablagerungen. Aus diesem Grund ist eine wirksame Spülung in diesem Bereich für einen stabilen Erodierprozess notwendig.

Die Analyse der Strömungsgeschwindigkeit v und der Wirbelviskosität νt ergab, dass eine rechteckige Geometrie als Spülkanalquerschnitt zu den höchsten Werten für beide Parameter führt. Eine visuelle Darstellung von Stahlpartikeln im frontalen Arbeitsspalt beim Spülen bestätigte, dass die höhere Strömungsgeschwindigkeit und Wirbelviskosität im Spülkanal der rechteckigen Geometrie zu einem deutlich erhöhten Transport von Ablationspartikeln führt. Es ist wahrscheinlich, dass eine Spülkanalgeometrie, die zu einer erhöhten Turbulenz im Arbeitsspalt führt, für eine insgesamt bessere Spülwirkung während des EDM-Prozesses sorgt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die rechteckige Kanalstruktur am besten für die Innenspülung geeignet ist, auch wenn sie im seitlichen Arbeitsspalt geringere Strömungsgeschwindigkeiten vc aufweist als die Vergleichsgeometrien. Mit den gewonnenen Ergebnissen wurden geeignete Parameter für die additive Fertigung von Werkzeugelektroden aus WC-Co für den Einsatz in Erodierprozessen gefunden. Auf Basis dieser Erkenntnisse können in Zukunft die Potenziale komplexerer interner Spülkanäle erschlossen werden. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung zeigten bereits positive Tendenzen zur Verbesserung der Arbeitsspaltspülung.

[1] Uhlmann E, Bergmann A, Bolz R, Gridin W. Anwendung additiv gefertigter Wolframcarbid-Werkzeugelektroden in der Funkenerosion. Procedia CIRP. 2018; 68: 86 – 90.

[2] Uhlmann E, Polte J, Bolz R, Yabroudi S, Streckenbach J, Bergmann A. Anwendung additiv gefertigter Wolframkarbid-Kobalt-Elektroden mit inneren Spülkanälen in S-EDM. Procedia CIRP. 2020, 95: 460 – 465.

[3] Polte J, Neuwald T, Gordei A, Kersting R, Uhlmann E. Auswirkungen auf die Teiledichte für eine hochproduktive Herstellung von WC-Co mittels Laser Powder Bed Fusion. Proceedings euspen, Internationale Konferenz und Ausstellung. 2021, 21.

* Alle Autoren forschen am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der Technischen Universität Berlin. Eckart Uhlmann und Mitchel Polte arbeiten ebenfalls am Fraunhofer IPK in Berlin.

(ID:49321009)