Plasma-elektrolytisches Polieren von Metallen

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1 Plasmaelektrolytisches Polieren von Metallen Meyer, W.; Adamitzki, W.; Unger, M. Einführung in die Elektrochemie Technologiepark Lauta 2. Dezember 2005 BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

2 Inhalt 1. Vorstellung des BeckmannInstitutes 2. Elektrochemische Vorgänge 3. Geschichtlicher Abriss 4. Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten (Grundlagen) 5. Technische Anwendungen 5.1 Elektrolyse 5.2 Kathodische Abscheidung (Galvanisieren) 5.3 Anodische Abscheidung (Anodisches Oxidieren) 5.4 Elektrochemisches Bearbeiten 5.5 Funkenerosive Bearbeitung 5.6 Plasmapolieren 6. Zusammenfassung BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

3 1. Das BeckmannInstitut für Technologieentwicklung e.v., Lichtenstein / Sa. BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

4 Arbeitsfelder des Institutes Datengenerierung / 3DCAD / CT Modellerstellung mit Rapid Prototyping Gießtechnologie Plasmaelektrolytisches Polieren Forschung, Entwicklung, Technologietransfer Beratung / Schulung / Projektmanagement BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

5 Konstruktion Datenaufbereitung Dienstleistungs und F&E Schwerpunkte Rapid Prototyping SLS, STL, 3DPrinting, MPL Gießtechnologie Verfahren / Material Planung /Verwaltung Plasmapolieren Verfahren / Anlagentechnik BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

6 BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

7 Rapid Prototyping Modelle

8 BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

9 Prozessketten Medizin Patient Chirurg CTDaten Operations planung Modellherstellung mittels RPTechnologien Defektmodellierung Implantate über Abformung und Gießen Implantate aus Biomaterial Implantatherstellung mittels RP Technologien und Biomaterial BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

10 2. Elektrochemische Vorgänge Elektrochemischer Vorgang = chemische Reaktion und elektrischer Strom äußere Spannung ruft chemische Reaktionen hervor ELEKTROLYSE chemische Reaktion führt zu elektrischer Spannung GALVANISCHES ELEMENT Elektrochemische Vorgänge besitzen enorme Bedeutung für Galvanotechnik Oberflächenveredlung / Oberflächenbearbeitung Korrosionsschutz sowie Einstellung tribologischer und ästhetischer Eigenschaften von Oberflächen und deren Gebrauchs / Funktionsverhalten bis hin zur Mikro und Nanotechnik Herstellung chemischer Substanzen (Redoxreaktionen) Bereitstellung elektrischer Spannung (Galv. Zellen... Brennstoffzellen) BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

11 3. Geschichte der Elektrochemie Luigi Galvani: Versuch mit Froschschenkeln Alessandro Volta: 1799 erste funktionierende Batterie, ermöglichte erstmalige Darstellung der Metalle Na, Ba, K, Sr, Ca, Mg durch Humphry Davy 1808 J.W.Ritter: erster einfacher Akkumulator M. Faraday: Begriffsbestimmung Elektrode, Elektrolyt, Anode, Kathode,... Grundgesetze der Elektrolyse (1832) W. Ostwald: Brennstoffzelle (1887); ApolloProgramm 1969: Wasserstoff Brennstoffzelle BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

12 4. Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten (Grundlagen) Faradaysche Gesetze: Anodische Entladungen Abgeschiedene Stoffmengen sind der geflossenen elektrischen Ladung proportional Elektrochemische Äquivalente verhalten sich wie die chemischen Äquivalente Ionen tragen ganzzahlige Vielfache der elektrischen Elementarladung entsprechend ihrer Wertigkeit Spannungsquelle Me t Dissoziation von Salzen, Säuren, Laugen unter Einfluß von Wasser; Anionen, Kationen Konzentration, phwert, Leitfähigkeit, Temperatur, Ionenbeweglichkeit Anode Elektrolyt Katode Me BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

13 5. Technische Anwendung 5.1 Elektrolyse Anodische Entladungen Elektrolyse: Umwandlung elektrischer in chemischer Energie Reaktionen an der Anode: 2OH ½ O 2 H 2 O 2e Reaktionen an der Kathode: 2H 3 0 2e H 2 2H 2 O Me t Anode Elektrolyt Katode Me BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

14 Umkehrung der Elektrolyse: Brennstoffzelle

15 5.2 Kathodische Abscheidung Anodenmaterial stellt Beschichtungsmaterial für Kathode (Werkstück) dar Anodische Entladungen Allseitige gleichmäßige Beschichtung (Schichtdicke zeitproportional) Dekorative Galvanotechnik: Funktionale Galvanotechnik: Kunststoffe, Verchromen, Vergolden Korrosionsschutz, Verschleißschutz, Leitfähigkeit Me t Anode Elektrolyt Katode Me BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

16 5.3 Anodische Abscheidung (Anodisches Oxidieren) Oberflächenveredlungsverfahren Anodische Entladungen für Aluminium, Titan sowie entsprechende Legierungen Oftmals feinkristalline bis amorphe Struktur ( µm), auch poröse Strukturen Keramische Härte und Korrosionsbeständigkeit Me t Anode Elektrolyt Katode Me BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

17 5.4 Elektrochemisches Bearbeiten Während des Elysierens wird an der Kathode Wasserstoff freigesetzt (Explosionsgefahr) Anodische Entladungen Der Elektrolytlösung wir ständig Wasser entzogen => Steigerung der Konzentration und Leitfähigkeit In der Elektrolytlösung wird Wärme freigesetzt; dadurch steigt auch die Leitfähigkeit. Da die Temperatur aber nicht über 100 C ansteigt, kommt es zu keinem Wärmeeinfluss auf das Werkstückgefüge Der Anodenschlamm kann giftige Bestandteile wie z.b. Nitritionen enthalten => Entgiften Die erreichte Rautiefe ist sehr gering (0.5 5mm) aus: Biedermann, Harsch, Schöpke, Völkle: Technologie der Fertigungsverfahren Abtragen BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

18 aus: Biedermann, Harsch, Schöpke, Völkle: Technologie der Fertigungsverfahren Abtragen Prozessparameter beim ECSenken Arbeitsmedium: Wässrige Elektrolytlösung, z.b. NaCL, NaNO3 Arbeitsspannung: 5 20 V Bearbeitungsspalt: 0,05 1 mm Druck der Elektrolytlösung im Spalt: 5 50 bar Werkzeug: Abbildendes Formwerkzeug aus Kupfer, Messing, rostfreiem Stahl, Titanwerkstoff Stromdichte: 0,1 4 A/mm2 Abtraggeschwindigkeit: 0,2 10 mm/min Fördermenge Elektrolytlösung: l/min BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

19 5.5 Funkenerosive Bearbeitung (aus H. Kück; Institut für Zeitmeßtechnik, Feinund Mikrotechnik der Universität Stuttgart) BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

20 5.6 Plasmapolieren Anodisches Plasma Dampfzone mit anodennahem Plasma Me Siedezone mit starker Wasserstoffentwicklung Me Bis 0,5 mm starker viskoser Flüssigkeitsfilm auf der Anode Anionisch hochkonzentrierte Schicht (Helmholtz, GouyChapman) mit Siedepunkt zwischen 104 und 108 C entspr. maximaleranodentemperatur BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

21 Der Plasmapoliereffekt Ein Zusammenwirken von: Anorganischer Chemie Physikalischer Chemie Elektrochemie / Elektrokinetik Plasmaphysik Plasmachemie BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.

22 Ihr Ansprechpartner: Beckmann Institut für Technologieentwicklung e.v. Am Eichenwald Lichtenstein Tel./ Fax: / Frau Unger und Herr Adamitzki Danke für Ihr Interesse. BECKMANNINSTITUT für Technologieentwicklung e.v.