Funkenerosives Senken findet für die hochpräzise Materialbearbeitung in diversen Nischen und bei der Serienfertigung Anwendung. Allgemein lässt sich das Fertigungsverfahren des Funkenerodierens in funkenerosives Senken (Senkerodieren), funkenerosives Schneiden (Drahterodieren) und Bohrerosion unterteilen. Alle drei Unterkategorien funktionieren nach demselben physikalischen Prinzip, bei dem ein elektrisch leitfähiges Werkstück in einer nicht leitenden Flüssigkeit (Dielektrikum) mithilfe von Funken behandelt wird.
Erodieren – Definition
Funkenerodieren (kurz: EDM) bzw. “electrical discharge machining”, Funkenerosion oder lediglich Erodieren genannt, beschreibt ein spanendes Fertigungsverfahren leitfähiger Werkstücke nach DIN 8580. Dabei erzielt eine Elektrode elektrische Entladevorgänge in Form von Funken auf dem zu bearbeitenden Rohstoff. Während des Prozesses entsteht eine sich ausbreitende Plasma-Zone, die aufgrund der zahlreichen Stöße sehr hohe Temperaturen verursacht und infolgedessen eine gewisse Materialmenge der Anode und Kathode aufschmilzt. Während die Erosion am Werkzeug Abbrand oder Verschleiß genannt wird, wird sie am Werkstück als Materialabtrag bezeichnet.
Bei der Funkenerosion lassen sich Intensität, Frequenz, Dauer, Länge und Polung der Entladungen einstellen, sodass unterschiedliche Abtragsergebnisse möglich sind. So sind auch komplizierte geometrische Formen herstellbar. Einzige Voraussetzung für die Funktion ist ein elektrisch leitfähiger Werkstoff. Härte und Festigkeit spielen damit weniger eine Rolle.
Senkerodieren: Materialien und Werkzeuge
Mithilfe der Senkerosion lassen sich extrem harte Rohstoffe wie gehärteter Stahl, Titan, Hartmetall, Karbid, Molybdän, Tantal und Wolfram bearbeiten. Beim sogenannten Drahterodieren (bzw. Schneiderodieren) wird mit einem permanent intakten Werkzeug in Form einer Drahtelektrode hantiert. Das Fertigungsverfahren funkenerosives Senken hingegen geht mit einem kontinuierlichen Verschleiß der Elektrodenflächen einher. Hier müssen zum Erreichen einer gewissen Genauigkeit die Verschleißerscheinungen korrigiert werden.
Allgemein besteht eine Senkerodiermaschine aus einer Werkzeugmaschine, einer Steuerungseinheit für die Achsantriebe, einem Generator und dem Dielektrikum. Für Letzteres wird meist deionisiertes Wasser oder ein spezielles Öl verwendet. Die Maschine zeichnet sich durch einen in z-Achse beweglichen Werkzeugkopf aus, während sich der Tisch in x und y-Achse bewegen lässt. Sowohl konventionelle Werkzeugmaschinen als auch hochmoderne CNC-gesteuerte Maschinen aus dem Jahre 2019 lassen sich für das funkenerosive Abtragen nutzen.
Die Elektrode besteht beim Senkerodieren häufig aus Graphit oder Kupfer und hat in etwa die negative Form des Werkstücks. Die Blöcke hierfür werden meist mithilfe des Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) und selten mit Ultraschallschwingläppen in Form gebracht. Einige Erodiermaschinen verfügen sogar über eine Abrichtvorrichtung, die die Profilierung der Anode durchführt.
Senkerodieren Verfahren: So funktioniert’s!
Alle Fertigungsverfahren auf Basis der Erosion basieren auf dem gleichen physikalischen Abtragsprinzip. Das einzige Kriterium zum Senkerodieren ist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des zu bearbeitenden Werkstoffs. Der Materialabtrag kommt mithilfe von kurzzeitigen, örtlich getrennten elektrischen Funkenentladungen zustande. Der gesamte Prozess der Funkenentladung läuft in der dielektrischen Flüssigkeit ab. Unterteilt wird dieser Prozess in drei Phasen:
- Zündphase: Die positiv geladene Massivelektrode und das negativ geladene Werkstück werden in einem definierten Abstand von einigen Hundertstel- bis Zehntelmillimetern zueinander geführt. Dabei ist der Funkenspalt bei Technologien mit einer höheren Abtragsleistung größer und erzeugt eine rauere Oberfläche. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich ein elektrisches Feld. Durch die Stoßprozesse der beschleunigten Elektronen und Ionen wandelt sich kinetische in thermische Energie um. Das Dielektrikum verdampft und lässt neue Ladungsträger entstehen. Den Entladekanal bildet eine Plasma-Gasblase, die als Funke sichtbar wird.
- Entladephase: Während sich der Entladekanal mit steigendem Stromfluss immer weiter ausdehnt, entsteht durch die Zähigkeit des Dielektrikums ein Gegendruck, der den Kanal an der Elektrode und am Werkstück einschnürt. An diesen Bereichen ist die Stromdichte besonders hoch, wodurch die Temperaturen deutlich steigen und das Material aufschmelzen und verdampfen.
- Pausenphase: Wird die Spannung abgeschaltet implodiert die Gasblase und die restliche Schmelze wird ausgeschleudert. Die erstarrten Partikel des Werkstücks und der Anode werden mit dem Dielektrikum abtransportiert.
Die drei Phasen des Senkerodierens wiederholen sich in einer Sekunde bis zu 100.000 Mal.