Gleichzeitig grobe und feine Strukturen fertigen

Das Maschinenbauunternehmen PemTec entwickelt, baut und vertreibt Maschinen und zugehörige Prozessperipherie. Die international agierende Firma hat sich auf die Fahnen geschrieben, neue Standards in der präzisen Metallbearbeitung zu setzen. So wurde in mehrjähriger Entwicklungsarbeit PEM ¿ die präzise elektrochemische Metallbearbeitung ¿ zur Serienreife gebracht. Das Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des elektrochemischen Senkens dar.

Der elektrochemische Bearbeitungsprozess (ECM Electro Chemical Machining) nutzt das Prinzip der anodischen Auflösung des zu bearbeitenden Werkstückes in einem elektrisch leitenden Medium. Mit dem Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung können Werkstoffe unabhängig von ihrer Härte bearbeitet werden. Es werden hohe Abtragraten bei einem sehr geringen beziehungsweise vernachlässigbar kleinem Werkzeugelektrodenverschleiß erreicht. Das ECM-Verfahren wird eingesetzt zum ECM-Polieren von Metalloberflächen, ECM-Entgraten und ECM-Senkbearbeiten.
Aufgrund seiner verfahrensspezifischen Vorteile fand die ECM-Bearbeitung schnell Verbreitung und wird heute in sehr vielen Produktionsbereichen eingesetzt. Es werden geometrisch hochkomplexe Formen erzeugt, die mit herkömmlichen spanenden Fertigungsverfahren nur sehr schwer  oder gar nicht gefertigt werden können. Die gefertigten Oberflächenstrukturen weisen in der Randzone keine Schädigungen auf. Eine typische Anwendung des Verfahrens ist die Fertigung von Turbinenschaufeln. Mit Hilfe des so genannten STEM-Verfahrens (Shaped Tube Electrolytic Machining) können Bohrungen mit einem hohen Aspektverhältnis hergestellt werden. Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln und Bohrungen in schwerzerspanbare Superlegierungen werden so mit einem Durchmesser zwischen 0,3 und 0,5 mm bei einem Aspektverhältnis von bis zu 300:1 gefertigt.
Das grundlegende Prinzip des elektrochemischen Abtragens ist die Auflösung eines als Anode (positiv) gepolten metallischen Werkstoffs in einem elektrisch leitfähigen Medium (Elektrolyt). Der für den elektrochemischen Abtragprozess erforderliche Stromfluss kann durch eine äußere oder durch eine innere Spannungsquelle hervorgerufen werden. An dem abzutragenden metallischen Werkstoff wird der positive Pol einer Gleichspannungsquelle angelegt. Der negative Pol wird an die abzuformende metallische Elektrode angelegt. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, der für den Ladungstransport erforderlich ist. Häufig werden wässrige Natriumnitrat- oder Natriumchloridlösungen verwendet. Zwischen den Elektroden, die sich in der wässrigen Elektrolytlösung befinden, fließt nach dem Anlegen einer Gleichspannung ein Strom, wenn der auftretende Spannungsabfall kleiner als die angelegte Gleichspannung ist. Den Ladungstransport übernehmen die in Ionen dissoziierten Moleküle des Elektrolyten. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die Ionen entsprechend ihrer Ladung zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden. Unter Aufnahme beziehungsweise Abgabe ihrer Elektronen gleichen sie ihre Ladung aus.
Die Metallionen, die sich an der Anode gebildet haben und mit der Elektrolytlösung reagieren, verbinden sich mit den Hydroxylionen in der Elektrolytlösung. Sie werden in einer nachfolgenden chemischen Reaktion als schwerlösliches Hydroxid ausgefällt. Durch die Reaktion an der Kathode werden die verbrauchten Hydroxylionen nachgeliefert. Die Ionen des dissoziierten Elektrolyten sind nicht an den chemischen Reaktionen beteiligt. Sie haben die Aufgabe in der Lösung eine ausreichende Leitfähigkeit zu gewährleisten. Bei dem elektrolytischem Abtrag von Metall tritt nur ein Verbrauch von elektrischer Energie und Wasser auf. An der Kathode erfolgt kein Werkstoffabtrag. Es lassen sich nach diesem Prinzip alle metallischen Werkstoffe mit Ausnahme einiger Edelmetalle auflösen, sofern geeignete Elektrolytlösungen verwendet werden, eine ausreichende Stromdichte zur Verfügung steht und der Spannungsabfall kleiner als die angelegte Gleichspannung ist.
Das PEM-Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des elektrochemischen Senkens dar. Durch eine innovative Maschinenkonzeption und eine Verbesserung der Prozessführung konnten die Einsatzmöglichkeiten des herkömmlichen ECM-Senkverfahrens deutlich erweitert werden. Das PEM-Verfahren bietet die bekannten Vorteile der ECM-Bearbeitung wie gute Oberflächenbeschaffenheit, keinen oder nur sehr geringen Elektrodenverschleiß (Kavitationsverschleiß) und eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit. Durch die Entwicklung dieses Verfahrens ist es nun möglich, sehr kleine Arbeitsspalte im Bereich von 10 µm zu realisieren.
Fazit: Das PEM-Verfahren kann für die Strukturierung von Bauteilen der verschiedensten Anwendungsgebiete und einer Vielzahl von Werkstoffen genutzt werden. Die hocheffiziente Fertigungstechnologie erweitert deutlich die kosten- und qualitätsgerechte Bearbeitung von Werkstoffen. So ist es zum Beispiel möglich, Nickelbasislegierungen, Aluminiumlegierungen, Edelstähle und Werkzeugstähle mit Strukturen zu versehen, die bisher für derartige Aufgaben nicht zur Verfügung standen. Das Anwendungsgebiet der PEM-Technologie erweitert sich ständig durch immer neue Applikationen der Kunden.

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