Grundlagenuntersuchung zur Funkenerosion mit additiv gefertigten EDM-Formelektroden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt befasste sich mit der Verbesserung des funkenerosiven Senkprozesses (S-EDM, engl. sinking electrical discharge machining) durch den Einsatz additiv gefertigter Werkzeugelektroden aus Wolframcarbid-Kobalt (WC-Co). Der Fokus lag auf der Herstellung komplexer Elektrodengeometrien mit integrierten Spülkanälen und der Untersuchung ihres Einflusses auf den EDM-Prozess. Die Untersuchung konzentrierte sich auf die Analyse additiver Fertigungsparameter zur Herstellung von Probenkörpern und Werkzeugelektroden, welche für den funkenerosiven Senkprozess geeignet sind. Dazu wurde der Einfluss der additiv gefertigten Proben mit variierenden relativen Dichten ρrel und Kobaltgehalten GCo auf den funkenerosiven Prozess untersucht. Das Ziel war die Erzeugung von Werkstückoberflächen mit Güten der Stufe 30 nach VDI 3400 [VDI3400], was einem arithmetischen Mittenrauwert von Ra = 3,15 μm entspricht. In dem Projekt konnten geeignete additive Fertigungsparameter identifiziert werden, um Proben mit einer relativen Dichte von ρrel > 93 % herzustellen. Die höchsten Werte in der relativen Dichte ρrel sowie dem Kobaltgehalt GCo wurden mit Energiedichten von Ev = 300 J/mm3 und Ev = 500 J/mm3 gefertigt. Hierbei konnte die kontinuierliche Schachbrett- Belichtungsstrategie als geeignete Methode ermittelt werden. Zudem wurden geeignete Bearbeitungsparameter für den funkenerosiven Prozess gefunden, um Werkstückoberflächen mit einem arithmetischen Mittenrauwert von Ra = 3,2 μm zu fertigen. Die Auswertung der funkenerosiven Versuche zeigt, dass die relative Dichte ρrel sowie der ̇Kobaltgehalt CCo die Abtragrate VW positiv beeinflussen. Additiv gefertigte Proben, die mit einer Energiedichte von Ev = 300 J/mm3 gefertigt wurden, weisen einen höheren Kobaltgehalt GCo auf. Jedoch zeigen Proben, die mit einer höheren Energiedichte von Ev = 500 J/mm3 gefertigt wurden, ̇deutlich bessere Abtragraten VW. Dies wird auf die höhere relative Dichte ρrel der Proben zurückgeführt. Numerische Simulationen wurden weiterführend durchgeführt, um optimierte Spülbedingungen zu identifizieren. Es wurden runde, quadratische und kleeblattförmige Kanalstrukturen für verschiedene Querschnittsflächen Aq und Spüldrücke Pin untersucht. Die Auswertung zeigte die besten Bedingungen im frontalen Spalt für die untersuchte Kavität mit quadratischem Spülkanalquerschnitt. Unter Berücksichtigung aller Ergebnisse und Erkenntnisse konnten zum Abschluss des Projektes Werkzeugelektroden mit einer frontalen Fläche von Af = 2 mm x 10 mm und integriertem Spülkanal gefertigt werden. Erstmalig konnten in diesem Projekt somit additiv gefertigte WC-Co-Werkzeugelektroden mit hohen Aspektverhältnissen Θ gefertigt werden. Das Potential durch eine freie Formgebung wurde für den S-EDM-Prozess aufgezeigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of additive manufactured tungsten carbide-cobalt tool electrodes for sinking EDM. Proceedings of 37th Annual Meeting of American Society for Precision Engineering (2022), S. 323 – 328, ISBN 978-1-887706-56-8.
Uhlmann E.; Polte M.; Hörl R.; Braun T & Bolz R.
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Increasing the Relative Density of Additively Manufactured Tungsten Carbide-Cobalt Tool Electrodes for EDM. Proceedings of 38th Annual Meeting of American Society for Precision Engineering (2023), S. 310 – 313, ISBN 978-1- 887706-59-9.
Uhlmann, E.; Polte, M.; Hörl, R.; Reimann, R.; Braun, T. & Hocke, T.
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Neuschäfer, R.: Additiv gefertigte WC-Co- Werkzeugelektroden für das funkenerosive Senken. Maschinenmarkt, Jahrgang 129, Ausgabe 3 (2023), S. 48 – 51.
Uhlmann, E.; Polte, M.; Hörl, R.; Bolz, R. & Braun, T.
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Parameter Optimization of Additive Manufacturing Process LPBF Using an Evolution Strategy Algorithm Applied on the Material Tungsten Carbide Cobalt WC – Co 83/17. Advances in Material Science Research. Volume 64 (2023), S. 245 – 255, ISBN 979-8-88697-935-0.
Uhlmann, E.; Polte, J.; Cherres, J.D.; Kochan, J. & Alum, A.S.
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Spark erosion with additively manufactured WC-Co electrodes. ETMM, Volume 25, 2 (2023), S. 36 – 37.
Uhlmann, E.; Polte, M.; Hörl, R.; Bolz, R. & Braun, T.
