Gestaltung von elektrochemischen Abtragprozessen durch Multiphysiksimulation gezeigt an der Endformgebung von Mikrobohrungen

Habilitation Matthias Hackert-Oschätzchen
1. Auflage 2015
ISBN: 978-3-95735-028-2
Verlag: Wissenschaftliche Scripten

Buch, Deutsch, Band 10, 238 Seiten, PB

Reihe: Scripts Precision and Microproduction Engineering

Das Grundprinzip aller fertigungstechnischen Umsetzungen des elektrochemischen Abtragens (ECM) besteht in der anodischen Auflösung eines metallischen Werkstücks an dessen Grenzfläche zu einem flüssigen Ionenleiter, dem Elektrolyt, unter der Einwirkung von elektrischem Ladungstransport. Dieses Abtragprinzip ermöglicht es, metallische Werkstücke unabhängig von deren mechanischer Härte zu bearbeiten. Darüber hinaus erfolgt der Abtrag grundsätzlich kraftfrei und bei maximalen Prozesstemperaturen von ca. 80 °C. Damit ist im Vergleich zu konkurrierenden Fertigungsverfahren wie Fräsen, Schleifen, Funkenerosion oder Laserstrahlabtragen eine Bearbeitung komplexer Geometrien mit schädigungsfreien Oberächen möglich.
Die Gestaltung der Elektrode und der Prozessführung hinsichtlich der präzisen Fertigung von geometrischen Formen auf Werkstücken erfolgt bei den Anwendern des ECM bisher in Form von empirischen Bemusterungen. Diese Bemusterungen sind ineffizient, da in der Regel eine Vielzahl von nicht verwertbaren Ausschussteilen produziert wird. Daraus leitet sich Handlungsbedarf in der Entwicklung von Simulationswerkzeugen ab, die diese Bemusterungsprozesse ersetzen bzw. deutlich reduzieren können. Zu diesem Zweck wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Möglichkeit der Anwendung moderner Multiphysiksimulationen für die Prozessgestaltung des elektrochemischen Abtragens anhand eines konkreten Modellsystems bewertet. Als Modellsystem dient die Endformgebung von Mikrobohrungen.

The basic principle of manufacturing with electrochemical machining (ECM) is the anodic dissolution of metallic workpieces at their interface to a liquid ion conductor, the
electrolyte, under the impact of electric charge transport. This ablation principle allows
to machine metallic workpieces regardless of their mechanical hardness. In addition, the
removal is effected without mechanical force and at maximum process temperatures of
about 80 °C. Compared to competing manufacturing processes like milling, grinding,
electrical discharge machining or laser beam machining the generation of complex geometries without damages of the surface layer is possible.
The design of the cathode and the process parameters with regard to precision manufacturing of geometric shapes on workpieces is done by the users of ECM by help of empirical studies. These empirical studies are inecient because usually a large number of non-usable rejects is produced. From this challenge the need for action of this habilitation thesis was derived, to develop simulation tools that can replace or significantly reduce the empirical studies. For this purpose, in the habilitation thesis the possibility of applying modern multiphysics simulations for the design of lectrochemical machining is assessed on a concrete model system. As model system the finishing machining of micro bores was selected.

Autoren/Hrsg.

Hackert-Oschätzchen, Matthias

Schubert, Andreas

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Zielstellung
1.2 Aufbau der Arbeit

2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Grundlagen des elektrochemischen Abtragens
2.1.1 Vorgänge im Arbeitsspalt
2.1.2 Stromtransport und Spannungsabfall
2.1.3 Vorgänge an den Elektroden
2.1.4 Prinzip der anodischen Metallauflösung
2.1.5 Funktion des Elektrolyten
2.1.6 Thermodynamik der EC-Bearbeitung
2.1.7 Systematisierung der Prozesskenngrößen
2.2 EC-Abtragen als Fertigungsverfahren
2.2.1 Einordnung und Klassifizierung
2.2.2 EC-Kammer- und Konturbearbeitung
2.2.3 EC-Senken
2.2.4 EC-Bohren
2.2.5 Pulsed Electrochemical Machining (PECM)
2.2.6 Ultrashort Pulsed Electrochemical Machining (UPECM)
2.2.7 Jet Electrochemical Machining (Jet-ECM)
2.2.8 Laser Assisted Jet Electrochemical Machining (LAJECM)
2.2.9 Plasma-elektrolytisches Polieren (PEP)
2.3 Simulation des EC-Abtragens

3 Handlungsbedarf und Planung der Vorgehensweise

4 Modellsystem Endformgebung von Mikrobohrungen
4.1 Erzeugung von Mikrobohrungen mittels EDM
4.2 Fluiddynamische Funktion von Mikrobohrungen

5 Prozessgestaltung durch Multiphysiksimulation
5.1 Modellerstellung
5.1.1 Modellgeometrie
5.1.2 Modellvernetzung
5.1.3 Elektrodynamik
5.1.4 Geometriedeformation
5.1.5 Fluiddynamik
5.1.6 Thermodynamik
5.2 Simulationsergebnisse
5.2.1 Isotherme Elektrodynamik
5.2.2 Abtragsimulation
5.2.3 Nicht-isotherme Elektrolytfluidik
5.2.3.1 Fluiddynamik
5.2.3.2 Thermodynamik
5.2.3.3 Nicht-isotherme Elektrodynamik

6 Systematisierung der Simulationsergebnisse

7 Experimentelle Realisierung
7.1 Konstruktive Ausführung
7.1.1 Werkstückgeometrie
7.1.2 Basis mit Spannsystem
7.1.3 Druckkammer mit Isolationsblende
7.1.4 Elektrode und Elektrodenhalterung
7.2 Hydraulischer Aufbau der Vorrichtung
7.3 Anlagenperipherie
7.3.1 Positioniersystem
7.3.2 Elektrolytsystem
7.3.3 Generatorsystem
7.3.4 Prozesssteuerung

8 Experimentelle Untersuchung und Auswertung
8.1 Verwendete Messmethoden und Planung der Experimente
8.2 Experimentelle Durchführung und Validierung der Simulationsergebnisse
8.2.1 Untersuchungen zum Einfluss der Durchflussrichtung
8.2.1.1 Kammerseitge Durchflussrichtung
8.2.1.2 Basisseitige Durchflussrichtung
8.2.1.3 Vergleich von kammerseitiger und basisseitiger Durchflussrichtung
8.2.2 Untersuchungen zum Einfluss des Anfangsarbeitsabstandes
8.2.3 Untersuchungen zum Einfluss der Bearbeitungszeit

9 Bewertung der Prozessgestaltung durch Multiphysiksimulation

10 Zusammenfassung

Literatur
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis