Strom als Werkzeug

von Hubert Winkler Die Grundlagen des Verfahrens sind uralt. Galvani hat sie schon 1795 entdeckt und durch Faraday wurden sie 1832 in seinem Faradayschen Gesetz unsterblich. Die gesamte Galvanik basiert auf diesen Gesetzmäßigkeiten, die Opferanode bei Schiffen und in neuerer Zeit auch das elektrochemische Entgraten und Abtragen. ‚pEM Tec‘, ein deutsches Unternehmen im französischen Forbach, gleich hinter der Grenze bei Saarbrücken, hat auf diesem physikalischen Grundprinzip eine hochpräzise Werkzeugmaschine entwickelt, die viele traditionelle Bearbeitungsverfahren an entscheidender Stelle ersetzen und ergänzen kann – und neue Konstruktionsprinzipien erstmals ermöglicht. Und das mit einer Präzision zwischen 2 und 5 µm, Oberflächengüte und Rauhigkeit bis 30 Nanometer und Abtragraten in der Tiefe zwischen 0,2 und 2 mm/min unabhängig von der zu bearbeitenden Fläche und der Härte des Metalls.

Der Name des 1995 gegründeten Unternehmens pemtec steht für ‚präzise elektrochemische Metallbearbeitung‘ oder international ‚precise elektrochemical machining‘. Das von führenden Hochschulen mit hohem Interesse begleitete Unternehmen wurde 1998 von der Wacht Gruppe in Konz übernommen und übersiedelte 2004 in die Euro-Industriezone in Forbach. Man hat über Jahre die führenden Spezialisten der internationalen ECM-Szene zusammengeholt, die Entwicklungsleistung vieler Jahre von führenden Unternehmen aus dem ECM-Bereich addiert, viele Millionen in Forschung und Entwicklung investiert und 2006 die erste serienreife Maschine dem Markt präsentiert. Inzwischen sind 40 Anlagen in der Industrie installiert – auch international, vor allem bei Firmen, die jeder kennt, und zumeist in Anwendungen, über die niemand berichten darf. Der Grund: Diese Maschine mit ihren neuen Möglichkeiten ist eine technische Revolution und die Unternehmen die ihre Vorteile nutzen, wollen ihren zeitlichen, technischen und wirtschaftlichen Vorteil behalten so lange sie können.

Wie funktioniert also diese Maschine? Was kann sie? Wem nützt sie? Drei einfache Fragen, nun die Antworten dazu: Spaßeshalber kennzeichnet der Geschäftsführer von pemtec, Hans Kuhn, das Funktionsprinzip so: „Wir arbeiten mit Strom und Nudelwasser mit Pökelsalz“. Die technischen Fakten sind so: Von ihrem mechanischen Grundkonzept funktioniert die Maschine fast wie eine Senkerodiermaschine. Sie hat nur eine bewegte Hubachse in der sich die geregelte Zustellbewegung der Elektrode und die mittels Exzenter erzeugte Arbeitsbewegung überlagern. Für die genaue Zustellung sorgt ein µ-genauer cnc-gesteuerter Spindelantrieb. Für den oszillierenden Arbeitshub sorgt ein Exzenter mit konstantem Hub, der die kathodisch geschaltete Elektrode mit Frequenzen bis 60 Hz auf das anodisch geschaltete Werkstück absenkt und wieder abhebt. Der Arbeitsspalt zwischen Elektrode und Werkstück wechselt dabei alternierend zwischen 10µm und 410µm. Am unteren Totpunkt der Arbeitsbewegung, wenn der Spalt gerade mal 10µm beträgt, wird für 2 Millisekunden eine Spannung zwischen 5 und 15 Volt angelegt. Diese erzeugt im Elektrolyt, eine salzhaltigen Lösung aus Wasser und Natriumnitrat (Nudelwasser mit Pökelsalz), eine Stromdichte zwischen 25 und 100 Ampere/cm² zwischen Elektrode und Werkstück.

Während diesen 2 Millisekunden werden Atome als Ionen aus der Werkstück- oberfläche herausgelöst und würden wie im galvanischen Prozess von der Kathode aufgefangen. Doch diese bewegt sich im gleichen Moment mit hoher Geschwindigkeit durch die Oszillation von der anodischen Werkstückoberfläche weg und erzeugt gleichzeitig durch den Unterdruck und unterstützt durch Spüldüsen eine effektive Spülung des Arbeitsspaltes mit der die ausgelösten Ionen sofort fortgespült werden bevor sie die Elektrodenoberfläche erreichen könnten. Die Elektrode wird also dabei weder in ihrer Geometrie noch in ihrer Oberflächenqualität durch Materialauftrag verändert. Bei einer Oszillationsrate von zum Beispiel 60 Hz wiederholt sich dieser Ablauf alle 20 msek und führt je nach Werkstoff, Geometrie und eingestellten Parametern zu Vorschüben beim Schruppen bis zu 500 Nanometer pro Hub, das aber eben 60 mal pro Sekunde. Der Gesamtvorschub liegt zwischen 0,1 und 2 mm/min unabhängig von der Gesamtfläche der Elektrode aber abhängig vom eingeschalteten Modus Schruppen, Vorschlichten oder Feinschlichten. Äußere Temperatureffekte haben keinen Einfluss – der Prozess läuft ab bei Raumtemperatur aller beteiligter Komponenten. Gegen Temperatureinflüsse (Antriebe, Lager) und gegen Vibrationen – der exakt geführte Kern der Z-Achse mit der Elektrode oszilliert immerhin mit bis zu 60 Hz – ist die Maschine weitgehend unempfindlich durch die ausgezeichnete Thermostabilität des symmetrisch und hochpräzise als Portal ausgelegten Maschinengestells aus Tiefengranit und dessen Dämpfungseigenschaften.

Gesteuert wird der Gesamtprozess mit einer aufwendigen und ausgeklügelten aber dennoch benutzerfreundlichen Steuerung. Im Vordergrund laufen dabei die Prozessparameter der Bearbeitung: wie Vorschub, Frequenz, Spüldruck, Strom und Spannung. Im Hintergrund vor allem die Steuerung des Zustandes des Elek- trolytes: Konzentration und pH-Wert, Nachschärfen, Zusätze, Regeneration und Mikrofiltern bis 0,2 µm Partikelgröße in einer aufwändigen Reinigungsanlage, Chrom6-Reduktion und vieles mehr. Neben der Kinematik und der Mechanik, der Energieversorgungseinheit, ist auch die gesamte Elektrolytchemie in der Forschungsabteilung von pemtec anwendungsreif entwickelt worden, ebenso die vielfältigen Applikationen und deren Optimierung.

Bearbeitet werden grundsätzlich alle leitenden Materialien darunter alle technisch relevanten metallischen Werkstoffe – fast alle. Ausnahmen sind Platin und mit Einschränkungen Gold und Silber. Die wollen ihre Atome durch ihre feste Gitterstruktur nur zögerlich hergeben. Auch Hartmetall, das aus Wolframcarbid, ist kein geeigneter Werkstoff – die Carbide sind elektrisch nicht leitend. Aber sonst lösen sich alle Stahlqualitäten, auch pulvermetallurgische und harte Metalle wie Inconel, Hasteloy, Nickel-Basislegierungen, Superlegierungen, legiertes Titan in ihre einzelnen Atome auf. Werkstoffe also, die dem herkömmlichen Zerspaner besonders viel Freude machen bei der jeweils geforderten Formgebung. Und was fürs Harte gilt, gilt erst recht fürs Weiche. Mit pem können natürlich alle Buntmetalle wie Kupfer, Bronze, Messing, Alu usw. ebenfalls bearbeitet werden.

Die mögliche aktive Gesamtfläche von Elektrode und Werkstück beträgt derzeit etwa 130 cm², kann aber auch in Teilfelder (Nester) aufgeteilt werden. Die Limitation liegt in der erforderlichen Stromstärke (100 Ampere/cm²) was bei 130 cm² sich immerhin zu 13000 Ampere addiert und in der Kraft, welche die auffahrende oder wegfahrende Elektrode im Elektrolyt bei der Oszillation erzeugt. Das können immerhin bis zu 1,2 Tonnen Druck und Sog sein, die mit hoher Frequenz auf die Spann- elemente von Elektrode und Werkstück einwirken. Bei großen Flächen entsteht zudem im Elektrolyt beim Abheben durch den Unterdruck Wasserdampf, welcher das Ergebnis beeinflusst. Für Abhilfe sorgt bei der Bearbeitung größerer Flächen zum Beispiel eine Aufteilung in Teilflächen, die Bearbeitung mit verstärktem Generator oder verstärkte Spülung. Am unteren Ende der Maßkette können Bohrungen von 0,1 mm Durchmesser bis zu einer Tiefe von 1 mm erzeugt werden oder Bohrungen von 0,4 mm 10 mm tief. Auch Mikrocodierungen zur Produktsicherung sind möglich mit einer Strichstärke bis herab zu 100 Nanometer. Die Oberflächenqualität von Elektrode und damit dem Werkstück bleibt in der Regel bis zu zigtausend Abformungen gleich. Hochglanz bleibt Hochglanz bei Rauhtiefen bis zu Ra 0,00003 mm (30 Nanometer).

Gegenüber dem sich in vielen Fällen überschneidenden Erodieren, Fräsen oder Mikrofräsen hat das Verfahren von pemtec unübersehbare Vorteile: Es ist um ein vielfaches schneller. Es erzeugt weder eine weiße Schicht, noch Gefügeveränderungen oder Mikrorisse in der Oberfläche. Polieren erübrigt sich. Auch Bohrungen haben Hochglanzoberfläche der Wandung. pEM ist eine berührungslose und kalte Metallbearbeitung. In vielen Fällen ergänzen sich die traditionellen Verfahren durch Prozessaufteilung mit pEM zu unschlagbaren Kosten/Nutzen-Partnern. Der größte Nutzen: Aus zerspanungstechnisch einfach zu bearbeitenden Werkstoffen werden Elektroden mit komplexen Strukturen und hoher Oberflächenqualität erzeugt – oder aus Blechen mit einfach zu erzeugenden Rand- oder Innenkonturen – die dann mit pem bis zu zigtausendfach in gleichbleibender Qualität und hoher Geschwindigkeit Teile in die gewünschte Form bringen.

Einige Applikationen – die interessantesten sind leider geheim – sollen die Vielfalt im Einsatz des pem-Verfahrens zeigen:

Die Zifferblätter und Datumsscheiben von Uhren, entweder direkt oder als Normalie eingebaut in Spritzgussformen.

Kaltumformwerkzeuge, zum Beispiel Schlagstempeleinsätze zur Herstellung von Schraubenköpfen: 10mal so schnell als konventionell, halten 8mal länger wegen der besseren Oberfläche.

Strukturierte Oberflächen, Mikrostrukturen, Wärmetauscher, Bipolarplatten für Brennstoffzellen, Mischer für die Chemieindustrie, Reaktionsflächen.

Warmumformwerkzeuge zum Beispiel für die Flankenbeschriftung von Kugellagern.

Turbinenräder für Axialturbinen zum Beispiel in handgeführten Pneumatikwerkzeugen.

Münzstempel – 4 Stempel in 3 Minuten.

Ovale gratfreie Querbohrung in einer Dieselpumpe (450 000 Teile/Jahr, 48fach Vorrichtung).

Stempel für Tablettenpressen in der Pharmazeutischen Industrie.

Hochdruckdüsen mit Hochglanzbohrung gegen Druckabfall, Kavitation und ungewollte Verwirbelung.

Exakte Ventilsitze mit hohem spezifischen Kv-Wert.

Erodierelektroden zur Bearbeitung von Hartmetallpressstempeln

Innen- und Außenverzahnungen

und vieles mehr…

Als eines von vielen Beispielen sei das Turbinenrad für handgeführte Druckluftwerkzeuge etwas näher betrachtet. Es handelt sich um eine zweistufige Turbinenscheibe mit einem Außendurchmesser von 34 mm und einer Schaufelhöhe von 5 mm. Die zu bearbeitende Fläche beträgt 844 mm². Werkstoffe sind 1.2083, 1.2365, 1.4034 oder 1.4571.

Die Aufgabe war die Herstellung dieser Turbinenscheiben mit außen 40 und innen 16 Flügeln mit Wandstärken zwischen 0,16 und 0,79 mm für reduziertes Bauvolumen und höhere Leistungsdichte. Diese Turbinenräder werden in großen Stückzahlen hergestellt.

Zuerst wurde konventionell eine Positivelektrode gefertigt, aus Messing CuSn39Pb3 zur Herstellung von acht Negativelektroden mittels pem. Das sind Blechscheiben aus Edelstahl 1.4034, 0,5 mm dick, die dann im pem-Verfahren eingesetzt wurden.

Prozessparameter der pem-Bearbeitung: Generatorstrom 1000 A, Bearbeitungstiefe 5 mm, Vorschubgeschwindigkeit 0,12 mm/min, Bearbeitungszeit 42 min. Es wurden acht Teile gleichzeitig gefertigt. Pro Teil entspricht das 5,25 Minuten!

Zum Besonderen gesellt sich gern das Besondere: „Da pemtec ein deutsches Unternehmen in Forbach auf der französischen Seite der Grenze zum Saarland ist, wobei sich die Grenze lediglich fiskalpolitisch negativ und in höherem Verwaltungsaufwand bemerkbar macht,“ so Geschäftsführer Hans Kuhn, „und die überwiegende Mehrheit unserer Mitarbeiter aus Deutschland kommt, ist und bleibt unsere Geschäftssprache Deutsch. Und das gilt auch für unsere internationale ECM-Elite in unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung.“ Und er fährt schmunzelnd fort: „Aber wie in allen anderen guten Verkaufsabteilungen so sprechen natürlich auch wir jede Sprache unserer Kunden.“

www.pemtec.de