Optimierte Fertigung von Mikrobohrungen in keramischen Werkstoffen durch Einsatz der funkenerosiven Trockenbearbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben befasst sich mit der Erforschung, Entwicklung sowie Bereitstellung von Fertigungstechnologien und Bearbeitungsstrategien zur funkenerosiven Trockenfeinbohrbearbeitung der Hochleistungskeramiken Si3N4/TiN und TiB2 sowie der Metalle Inconel 718 und PMHS 6-5-4. Eine Erweiterung der auf der Einheit zum funkenerosiven Bohren Quadraton der Firma GF Agiecharmilles, Losone, Schweiz, basierenden Versuchsmaschine ermöglicht die Durchführung von Bohrversuchen mit Durchmessern der verwendeten Hartmetallröhrchen im Bereich 0,1 mm ≤ D ≤ 0,3 mm mit gasförmigen Prozessmedien bei Spüldrücken pp ≤ 80 bar. Eine am IWF der TU Berlin entwickelte Hochgeschwindigkeitsspindel sowie eine von der Firma Hugo Reckerth Gmbh, Filderstadt-Bonlanden, entwickelte trockenfunkenerosive Feinbohrspindel ermöglichen die Untersuchung des Einflusses einer Elektrodenrotation in den Drehzahlbereichen 100.000 1/min ≤ n ≤ 300.000 1/min bzw. 5.000 1/min ≤ n ≤ 40.000 1/min. Überdies wurde im Rahmen des Projektes eine Getriebeeinrichtung entwickelt, gefertigt und zum Patent angemeldet. Diese gestattet die Einstellung einer definierten Exzentrizität S während der Werkzeugrotation. Die technologischen Untersuchungen zum trockenfunkenerosiven Feinbohren fokussieren die Analyse grundlegender, prozessspezifischer Unterschiede sowie der Abtragmechanismen bei der Verwendung von gasförmigen und flüssigen Dielektrika. Hierfür kommen Druckluft und deionisiertes Wasser zum Einsatz. Darüber hinaus wird der Einsatz der prozessfördernden Reingase Argon, Sauerstoff, Stickstoff und Helium untersucht, mit dem Ziel der Identifikation gasabhängiger Prozesscharakteristiken. Hierfür erfolgt neben der detaillierten messtechnischen Auswertung gefertigter Mikrobohrungen mittels Rasterelektronenmikroskop, optischem 3D-Messsystem und Computertomographie die Ermittlung von Werkstoffzusammensetzungen mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) sowie die Analyse von Strom- und Spannungsverläufen mit Hilfe eines Oszilloskops. Die Anwendung von Methoden der statistischen Versuchsplanung mit teilfaktoriellen Versuchsplänen mündet in eine Effektanalyse der Hauptprozessparameter hinsichtlich der Prozesszielgrößen. Basierend auf dieser Effektanalyse werden, über anschließende Detailanalysen und unter Berücksichtigung des jeweiligen Prozessgases, Parameterkombinationen für eine abtragorientierte Schrupp- bzw. verschleißorientierte Schlichtbearbeitung erarbeitet und in Technologietabellen zusammengefasst. Die gewonnenen Erkenntnisse der Bearbeitung der Hochleistungskeramiken Si3N4/TiN und TiB2 fließen dabei initiativ in die Untersuchungen der Metalle Inconel 718 und PMHS 6-5-4 ein. Abschließend wird ein komplexes, numerisches Modell zur detaillierten Untersuchung der strömungsmechanischen und thermodynamischen Vorgänge im Arbeitsspalt s zwischen der Werkzeug- und der Werkstückelektrode erstellt. Die Abtragmechanismen für Si3N4/TiN basieren überwiegend auf dem sog. Melting-Effekt. Für TiB2 dominiert das Herauslösen ganzer Keramikkörner, der sog. Spalling-Effekt. Die Verwendung von Sauerstoff ermöglicht die Schruppbearbeitung der Hochleistungskeramiken, Argon und Stickstoff gewährleisten eine verschleißarme Bearbeitung bei hoher Formgenauigkeit. Für Metalle kann kein positiver Einfluss der Reingase identifiziert werden. Die Applikation einer Elektrodenrotation führt für Metalle und Si3N4/TiN zu einer Reduktion der Erosionsdauer tero, für TiB2 steigt diese an. Der relative Elektrodenverschleiß ϑ wächst mit zunehmender Drehzahl n. In Druckluft können bisher nicht dokumentierte Entladungsmuster identifiziert werden, die quasistatische Entladung und die komplexe Mehrfachentladung. In Gasen erfolgen, im Gegensatz zu flüssigen Dielektrika, vermehrt vorzeitige Funkendurchschläge unter Aufrechterhaltung der eigentlich kondensatorgesteuerten Plasmakanäle. Das experimentell validierte CFD-Modell gibt erstmals Einblicke in die Vorgänge im Arbeitsspalt s beim Spülen mit gasförmigen Dielektrika. Die Spülleistung PS ist mit Gasen bei gleichen Spüldrücken pp zehnfach geringer, trotz Überschallströmung mit bis zu zwanzigfach höheren maximalen Strömungsgeschwindigkeiten cmax. Die aufgeprägte Elektrodenrotation appliziert radiale Geschwindigkeitsanteile cradial in Umfangsrichtung, die lokal ein Drittel der Geschwindigkeitsanteile in Hauptströmungsrichtung caxial ausmachen. Für Gase fällt dieser Effekt signifikant geringer aus. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in Technologietabellen inkl. Handlungsempfehlungen ein und stellen damit eine praxistaugliche Basis für die trockenfunkenerosive Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen bereit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of dry-EDM micro drilling for high performance ceramics. In: Proceedings of the 13th euspen International Conference, 2013, S. 298 – 301
Uhlmann, E.; Schimmelpfennig, T.-M.
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Comparative Analysis of Dry-EDM and Conventional EDM for the Manufacturing of Micro Holes in Si3N4-TiN. In: Procedia CIRP Volume 42. Proceedings of the 18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII), 2016, S. 173 – 17
Uhlmann, E.; Schimmelpfennig, T.-M.; Perfilov, I.; Streckenbach, J.; Schweitzer, L.
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Trockenfunkenerosives Feinbohren von Hochleistungswerkstoffen. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg. Uhlmann, E. Stuttgart: Fraunhofer IRB, 2016
Schimmelpfennig, T.-M.
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CFD-Simulation in Mikrospülkanälen beim funkenerosiven Feinbohren mit flüssigen und gasförmigen Dielektrika. In: 35. CADFEM ANSYS Simulation Conference, Die Fachkonferenz zur numerischen Simulation in der Produktentwicklung, Koblenz, 15.–17.11.2017
Uhlmann, E.; Yabroudi, S.
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Dry-EDM milling of micro-scale features with high speed rotating tungsten tube electrodes. In: Proceedings of the 17th euspen International Conference, 2017, S. 175 – 176
Uhlmann, E.; Perfilov, I.; Schimmelpfennig, T.-M.; Schweitzer, L.; Yabroudi, S.
