Simulation der gepulsten elektrochemischen Metallbearbeitung (PECM) von dünnwandigen Bauteilen für den Triebwerksbau – SIMPECT

• Antragsteller: Dr.-Ing. Andreas Klink; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439915866

In der Triebwerksfertigung werden durch die steigenden thermischen und mechanischen Anforderungen effizienterer Triebwerke kontinuierlich hochwarmfestere Werkstoffe eingesetzt, die sich konventionell immer schwerer bearbeiten lassen. Insbesondere in der Schaufelfertigung werden dabei neben hohen Maßhaltigkeiten und Oberflächengüten auch die Bearbeitung immer dünnwandigerer Bauteile gefordert. Diese Anforderungen sind mithilfe etablierter zerspanender Prozesse aufgrund der großen auftretenden Prozesskräfte und dem immensen Werkzeugverschleiß immer schwerer technologisch und ökonomisch zu erreichen. Infolgedessen wird bei solchen Anwendungen vermehrt die elektrochemische Metallbearbeitung (ECM) als Alternative bei den Triebwerksherstellern eingesetzt, bei der aufgrund der anodischen Metallauflösung der Materialabtrag unabhängig von den thermo-mechanischen Festigkeitswerten erfolgt. Als elementare Prozesseinflussgrößen spielen dabei die physikalischen Elektrolyteigenschaften und die Strömungsbedingungen eine Schlüsselrolle hinsichtlich des lokal realisierbaren Materialabtrages. Zur Finishbearbeitung von Triebwerksschaufeln wird meist die gepulste elektrochemische Metallbearbeitung (PECM) eingesetzt, wodurch eine höhere Oberflächengüte und Fertigungsgenauigkeit erzielt wird. Aus der industriellen Anwendungspraxis des Verfahrens ist jedoch bekannt, dass spülungsinduzierte Phänomene auftreten können, die insbesondere bei filigranen Bauteilen zu Formabweichungen oder sogar zum Kurzschluss führen können. Für die Werkzeugauslegung im PECM Prozess existiert bisher kein validiertes fluiddynamisches Simulationsmodell. Der Grund liegt in dem stark instationären Charakter der Phänomene im Elektrolytkanal durch die Oszillation der Werkzeugelektroden sowie in der Fluid-Struktur-Interaktion, die bisher weder ausreichend simuliert noch modelliert werden konnten.In der ersten Projektförderphase konnte eine generische Umgebung zur Simulation und Messung strömungs- und strukturmechanischer Charakteristika des PECM Prozesses erfolgreich geschaffen werden. Es wurde eine kaskadierte Modellbildung der mehrphasigen Fluidströmung zur Beschreibung der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) an dünnwandigen Bauteilen entwickelt und erste fundamentale Daten wurden kontextbezogen abgeleitet. Anhand von Experimenten an Grundlagenprüfständen konnten die Simulationsansätze zur Berechnung der Strömung validiert werden.Das Ziel in der zweiten Förderphase besteht nun in der gezielten Modellentwicklung zum Einfluss spülungsinduzierter Kräfte und zur Beschreibung der Ansammlung von Gasagglomeraten auf das elektrochemische Abtragverhalten einer realen Schaufelgeometrie. Die entwickelten Modellansätze werden um die Beschreibung des realen Materialabtrags und der entstehenden lokalen Wärmeentwicklung erweitert. Eine Validierung und Kalibirierung der Simulationen erfolgt durch Abtragexperimente auf realen Werkzeugmaschinen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)