Entwicklung und Simulation eines Verfahrens zum elektrochemischen Abtragen von Mikrogeometrien mit schlossenem elektrolytischen Freistrahl

Dissertation Hackert, Matthias / Scripts Precision and Microproduction Engineering, TU Chemnitz, Band 2
1. Auflage 2010
ISBN: 978-3-937524-95-5
Verlag: Wissenschaftliche Scripten

Buch, Deutsch, Band Band 2, 161 Seiten, PB, Format (B × H): 148 mm x 210 mm, Gewicht: 280 g

Reihe: Scripts Precision and Microproduction Engineering

In der Schriftenreihe Präzisions-und Mikrofertigungstechnik werden in loser Folge Forschungsergebnisse und Veranstaltungsbeiträge zu aktuellen Entwicklungen auf den Gebieten der Präzisionsfertigung und der Herstellung mikrostukturierter Bauteile und Oberflächen aus der Professur Mikrofertigungstechnik der Technischen Universität Chemnitz und dem Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU -Abteilung Präzisions-und Mikrofertigungstechnik veröffentlicht.

Der Trend zu immer höherer Präzision in der Fertigung von Bauteilen bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an die Prozesssicherheit stellt besonders vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität und Funktionalität von Bauteilen in verschiedensten Anwendungen eine Herausforderung an die Fertigungstechnik dar. Die funktionalen Eigenschaften von Oberflächen spielen in diesem Zusammenhang eine zunehmende Rolle. Dabei bestimmen die eingesetzten Fertigungsverfahren die Eigenschaften der Oberflächen von Bauteilen im Betrieb in hohem Maße. Vor diesem Hintergrund ist die gezielte Weiterentwicklung von Präzisionsfertigungsverfahren über die bisher in in großer Breite angewendeten Verfahren zur Endbearbeitung mit unbestimmter Schneide hinaus, ein zentrales Anliegen der Entwicklungen auf dem Gebiet der Präzisionsfertigung in Chemnitz. Die Fertigungstechnologie für präzise und mikrostrukturierte Bauteile wird darüber hinaus auf Mikrobauteile in verschiedensten Anwendungen in der Medizintechnik, der Informationsverarbeitung und Sensor-Aktortechnik angewendet.

Der vorliegende zweite Band der Schriftenreihe widmet sich der Elektrochemischen Mikrobearbeitung. Die Elektrochemische Bearbeitung ist a priori ein für die Mikrobearbeitung prädestiniertes Verfahren, da aufgrund des angewendeten Prinzips der anodischen Metallauflösung grundsätzlich eine kraftfreie Bearbeitung auch hoch fester metallischer und anderer anodisch auflösbarer Werkstoffe möglich ist.

Einschränkend für die Anwendungen in der Mikrotechnik wirkt sich die zustandsabhähige Leitfähigkeit des Elektrolyten und die Ausbreitung des elektrischen Feldes aus. Damit einher geht eine schlechte Vorhersagbarkeit des Prozesses. Im Rahmen der Dissertation von Herrn Matthias Hackert wurde besonderes Augenmerk auf die Lokalisierung des anodischen Abtrags für Anwendungen in der Mikrobearbeitung gelegt, wobei durch die Beschränkung auf industriell eingesetzte Elektrolyten und ungepulsten Gleichstrom eine praktische Anwendbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse immer im Fokus steht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mikrofertigungstechnisches Verfahren entwickelt, das auf dem elektrochemischen Abtragen basiert. Es wird belegt, dass es unter Verwendung eines geschlossenen elektrolytischen Freistrahles möglich ist, hochgradig lokalisiert, bei extremen elektrischen Stromdichten, metallische Werkstücke formgebend anodisch aufzulösen. Das Potential der Applikation dieses Verfahrens für eine Herstellung von 3-D Mikrogeometrien kann der Arbeit zweifelsfrei entnommen werden. Für die Simulation des Verfahrens wurde ein FEM Modell entwickelt, das den Abtragprozess anhand von Modellgeometrien beschreibt.

Autoren/Hrsg.

Hackert, Matthias

Schubert, Andreas

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
1.1 Zielstellung
1.2 AufbauderArbeit

2 Stand der Wissenschaft
und Technik
2.1 Aktuelle mikrofertigungstechnische
Entwicklungen

2.2 EC Abtragen von Präzisions-
und Mikrogeometrien
2.2.1 Prinzip der anodischen
Metallauflösung
2.2.2 ECKammer-undKonturbearbeitung
2.2.3 ECSenken
2.2.4 ECBohren
2.2.5 PECM -Pulsed Electrochemical Machining
2.2.6 ECF elektrochemischesFräsen
2.2.7 Jet-ECM -Jet Electrochemical Machining

3 Handlungsbedarf
3.1 Gegenüberstellung relevanter ECVerfahren
3.2 Auswahl des zu qualifizierenden EC Verfahrens
3.3 Planung der Vorgehensweise

4 Simulation des Abtrages
4.1 Soft-undHardware
4.2 GeometrieundVernetzung
4.3 Elektrodynamik

4.4 Netzdeformation
4.4.1 Automatisches Neuvernetzen in COMSOL Multiphysics

4.5 Simulationsergebnisse
4.5.1 VariationderelektrischenSpannung
4.5.2 VariationdesArbeitsabstandes
4.5.3 Variation des Düsendurchmessers

5. Experimentelle Realisierung
5.1 Generatorsystem
5.2 Positioniersystem
5.3 Elektrolytsystem

5.4 Druckluftsystem
5.4.1 Monoaxiale Luftzufuhr
5.4.2 Koaxiale Luftzufuhr

5.5 Prozesssteuerung
5.6 Ablauf eines typischen Experiments

6 Abtragen mit geschlossenem Freistrahl
6.1 Validierung des geschlossenen Freistrahles

6.2 Verfahrensquantifizierung
6.2.1 Punktabträge
6.2.1.1 Geometrie von Punktabträgen
6.2.1.2 Stromdichte und Stromausbeute bei Punktabträgen
6.2.2 Linienabträge
6.2.2.1 Geometrie von Linienabträgen
6.2.2.2 Stromdichte und Stromausbeute bei Linienabträgen

6.3 Bearbeitungsbeispiele
6.3.1 Jet-EC Schneiden
6.3.2 Jet-EC Bohren
6.3.3 Jet-EC Trepanieren
6.3.4 Jet-EC Fräsen

6.4 Abtragen mit koaxialer Luftströmung
6.4.1 Variation der Verfahrgeschwindigkeit
6.4.1.1 Geometrie
6.4.1.2 Oberflächenrauheit
6.4.2 Variation des Arbeitsabstandes

7 Zusammenfassung

8 Ausblick

A COMSOL Script Quellcode
A.1 Neuvernetzen
A.2 Ergebnisausgabe

B Konstruktionszeichnungen