Elektrochemisches Fräsen - eine neuartige Mikrobearbeitungstechnologie Mai 2011 Dipl.-Ing. Thomas Gmelin Inhalt: - ECMTEC - Technologievarianten - Potenzial - Grenzen - Bearbeitungsstrategie - Maschine & Beispiele
Produkte & Services: Entwicklung & Vertrieb von Anlagentechnik Betrieb eines Applikationslabors für Bemusterungen Tischgerät Werkzeugmaschine Awarded 2008 with the Euromold Award Soderanlagen
ECM = Electrochemical Machining Werkzeugelektrode - + Prozessenergiequelle Elektrolytspülung Werkstückelektrode
Warum Elektrochemie, warum ECM? Verfahrensmerkmale der ECM Technik - Thermisch neutraler Prozeß - Kein Werkzeugverschleiß - Keine Gratbildung - Berührungsloser Abtrag - Parallelisierbar
Problemstellung ECM: Werkzeugelektrode - Prozessenergiequelle + Elektrolytspülung? Werkstückelektrode Wie groß ist der Arbeitsspalt? Wie genau läßt er sich steuern?
Elektrochemisches Fräsen mit ultrakurzen Spannungspulsen (ECF) z Tool y X U (t) (t) U DL C DL R U Ersatzschaltbild R = ƒ(spaltbreite d) C ~ konst. R = Elektrolytwiderstand CDL=Kapazität der Doppelschicht d U U DL C DL R U DL t =R *CDL Werkstück Elektrolyt U reak t Scharf begrenzte Lokalisierung des Abtrags durch kurze Spannungspulse
Voreinstellbare Spaltbreite durch ultrakurze Pulse Werkzeugweg Spaltweite in µm Tool Pulsweite in ns RSpalt Werkstück -> Keine Werkzeugisolation wird benötigt -> kleine Werkzeuge können genutzt werden -> hohe Aspektverhältnisse sind möglich www.ecmtec.com
Elektrochemisches Fräsen Die voreinstellbare Spaltbreite ermöglicht eine Werkzeugführung analog der des konventionellen Fräsens mit vergleichbaren Werkzeugtypen...... aber mit skalierbarer Werkzeugdimension
Potential ~ 600 nm ~ 370 nm Quelle: M. Kock, V. Kirchner, and R. Schuster, "Electrochemical micromachining with ultrashort voltage pulses a versatile method with lithographical precision, Electrochim. Acta (2002).
Einschränkungen - Jeder Werkstoff erfordert einen angepaßten Elektrolyten - Oberflächenqualität und Bearbeitbarkeit ist abhängig von der Zusammensetzung der Legierung und der Gefügehomogenität - Die Vorschubrate beträgt (5-60µm/min) und nimmt mit zunehmender Auflösung ab
2. Elektrochemisches Senken - Fertigbearbeitung mikromechanischer Bauteile 1. Fertigung von Werkzeugen mit standardisierten Werkzeugen 2. Serienfertigung von Mikrobauteilen durch elektrochemisches Senken
Grenzen beim ECF-Senken R C DL U DL Der erforderlich kurze, aber hohe Stromimpuls zur Umladung der elektrochemischen Doppelschicht wird begrenzt durch die parasitäre Induktivität der Zuleitungen Die Größe der aktiven Elektrodenfläche ist begrenzt bei ultrakurzen Impulsen U Technologiestand ECF-Senken heute: Entwicklungslastig für große Flächen
Strategie der Nach- oder Endbearbeitung vorgefertigter Bauelemente Nutzung bestehender Fertigungsverfahren soweit möglich Umspannen des Bauteils in die ECF-Anlage Definition der Einmesspunkte und erstellen der CAM-Daten auf Basis bestehender CAD-Daten Einmessen des Bauteils direkt mit dem für die Folgebearbeitung erforderlichen Werkzeug Nachbearbeitung/Endbearbeitung kritischer Strukturbereiche
Beispiel: Nachbearbeitung eines Formeinsatzes Sollkontur (grün) Restmaterial der Vorbearbeitung (rot)
Einmessen einer vorgefrästen Struktur Schema 7 8 Video y 1 2 x 9 5 6 3 4 9 Einmesspunkte: 1-8 = Messpunkte zur Erfassung der Position in X/Y-Ebene sowie der Rotation 9 = Antastung der Z-Ebene
Ergebnis der HSC- und ECF-Bearbeitung ECF HSC Material: Nickel Steghöhe: 100 µm Reduktion des Innenradius von 0,1 mm auf ~0,015mm
Anlagentechnik micro production C-Achse mit Messsystem zur Werkzeugnullpunkterfassung am Spannfutter Säureschrank abschließbar integriert, mit Sicherheitswanne und Entlüftungsanschluss Justierbare Arbeitsplattform: Justierung erfolgt manuell. Vorgaben werden gemessen und berechnet
ECF Bearbeitung Schruppen und Schlichten, eine Frage der Pulsweite Tool Vorgehen: 1. Schruppen: Bohren mit 150-200 ns Pulsweite 2. Schlichten: Fräsen mit 30 ns Pulsweite Bohrung Werkstück v~10µm/s 47µm V<=1µm/s
Bearbeitungsbeispiel: Kanal in 1.4441 Breite: 25 µm Tiefe: 100 µm Aspektverh.: 4
ECF Bearbeitung von Bohrungen Material: 1.4034 Kugeldurchmesser: 700µm Durchgangsloch: 60µm Aspektverhältnis: > 11 60µm - frei von Bearbeitungsgrat - kein thermischer Stress 0.7mm
Bearbeitung von Kanülen (Tubes): 0,2 mm 0,6 mm 0,34 mm Material: 1.4301 Bearbeitungstiefe: ~ 50 µm Tube Ø: 600µm Material: 1.4301 Tiefe: ~ 250 µm Pitch: 85 µm Tube Ø: 600µm
Bearbeitungsbeispiel Medizintechnik: Teil einer Mikrozange (7C27Mo2) Rohling
Bearbeitungsbeispiel: Mikrofluidikstruktur (1.4441) Breite: 25 µm Tiefe: 100 µm Aspektverh.: 4
Bearbeitung von Wolfram: Material: W Bearbeitungstiefe: ~ 500 µm
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Vergleich Oberfläche ECF EDM Elektrochemisch gefräste Erodierte Struktur Struktur 200µm
Vergleich von ECF und (P)ECM Abtragrate wird lokal durch Doppelschicht und Ladungsmenge bestimmt. Spaltweite wird durch gezielte Umladung der Doppelschicht eingestellt Pulsdauer im ps- bis µs Bereich Strom I Prozessenergiequelle stellt den Strom für die Umladung bereit ECF Aktiver Bereich Passiver Bereich PECM U Transpassiver Bereich Abtragrate ergibt sich durch die Stromdichteverteilung im Elektrolyten Spaltweite kann nur begrenzt verringert werden (Kontamination) Strompulse verbessern Kühlung und Spaltkontamination Pulsdauer im µs- bis ms Bereich Prozessenergiequelle stellt den Strom für den Abtrag bereit
Abgrenzung Konventionelle ECM/PECM ECF (ECMTEC) Lokale Abtragsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Stromdichteverteilung -> Spaltweite ist Funktion der Zeit -> Partielle Werkzeugisolation erforderlich -> Prozessenergiequelle stellt Strom für den Abtrag bereit Direkte Steuerung der lokalen Abtragsgeschwindigkeit -> Steuerbare Spaltweite -> Keine Werkzeugisolation erforderlich -> Prozessenergiequelle stellt Strom für die Umladung bereit
Standardisierte CAD/CAM Programme werden genutzt Bearbeitungsstrecke