BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elektrochemisches Abtragen.

Stand der Technik

Beim elektrochemischen Abtragen wird zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ein Arbeitsspalt eingestellt, in dem eine Elektrolytflüssigkeit vorgehalten wird. Mit in der Regel einer externen Spannungsquelle wird das Werkstück dann als Anode und das Werkzeug als Kathode polarisiert, woraus ein Ladungstransport in der Elektrolytflüssigkeit resultiert. Infolgedessen werden Metallionen vom Werkstück gelöst, wird dieses also materialabtragend bearbeitet. Aufgrund der insofern berührungslosen Bearbeitung lassen sich auch vergleichsweise harte Werkstoffe materialabtragend bearbeiten, weswegen das Verfahren vorteilhaft bei der Herstellung von Bauteilen für axiale Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke, genutzt werden kann. Dies soll ein bevorzugtes Anwendungsumfeld illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elektrochemisches Abtragen anzugeben.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das Werkstück wird dabei für die Bearbeitung in eine Arbeitskammer eingesetzt, die dann für die Bearbeitung geschlossen wird und während der Bearbeitung geschlossen bleibt. Vor dem Öffnen der Arbeitskammer und dem Herausnehmen des bearbeiteten Werk- stücks wird der Arbeitskammer eine Flüssigkeit mit Fe(II)-Ionen als Reduktionsmittel zugeführt. Danach kann die Arbeitskammer geöffnet und das Werkstück entnommen werden.

Bei der materialabtragenden Bearbeitung des metallischen Werkstücks können, in Abhängigkeit von dessen Material bzw. Materialzusammensetzung, verschiedene Metallkationen in Lösung gehen, z. B. Ni ²⁺ , Fe ²⁺ , Fe ³⁺ , Cr ⁶⁺ etc., wobei die Cr(VI)- lonen besonders kritisch sein können (karzinogen, mutagen, reproduktionstoxisch). Die Erfinder haben festgestellt, dass, selbst wenn die benutzte Elektrolytflüssigkeit über ein Leitungssystem aus der Arbeitskammer abgeführt wird, in der Arbeitskammer oder auf dem Werkstück Rückstände verbleiben können. Für eine Bedienperson, die bspw. das bearbeitete Werkstück aus der Arbeitskammer entnimmt, kann dies eine Gefahrenquelle darstellen.

Diese lässt sich mit dem vorherigen Zuführen des Reduktionsmittels zumindest verringern oder auch gänzlich eliminieren, die Fe(II)-Ionen können etwaiges Cr(VI) zu Cr(III) reduzieren. Das hauptanspruchsgemäße Verfahren kann deshalb besonders bevorzugt bei Werkstücken aus einer chromhaltigen Legierung Anwendung finden, im Sinne einer vorbeugenden Sicherheitsmaßnahme ist es jedoch im Allgemeinen nicht hierauf beschränkt.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird. Jedenfalls implizit ist die Offenbarung stets sowohl auf Verfahrens- als auch auf entsprechende Verwendungs- bzw. Vorrichtungsaspekte zu lesen. Sie richtet sich zum einen auf das Bearbeitungsverfahren, zum anderen aber implizit immer auch auf eine Bearbeitungsanlage, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet ist (z. B. hardwareseitig ausgestattet und/oder softwareseitig programmiert).

Die materialabtragende Bearbeitung des Werkstücks (Schritt ii)) erfolgt in der geschlossenen Arbeitskammer, im Allgemeinen kann das Werkstück dazu bspw. auch in einem Bad mit der Elektrolytflüssigkeit (teilweise) getaucht vorgehalten werden. Bevorzugt wird jedoch nicht das Werkstück getaucht, sondern wird dem Arbeitsspalt die Elektrolytflüssigkeit zugeführt, vorzugsweise kontinuierlich während der Bearbeitung. Unabhängig von diesen Details kann die Elektrolytflüssigkeit eine wässrige Salzlösung sein, z. B. eine wässrige Lösung von Natriumchlorid (NaCl) oder Natriumnitrat (NaNCh). Bei dem elektrochemischen Abtragen kann es sich im Einzelnen z. B. um ein ECM-, Puls-ECM oder auch PECM- bzw. PEM- oder ECF- Verfahren handeln.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt iii) vor dem Öffnen der Arbeitskammer mehrfach wiederholt, wird dieser das Reduktionsmittel also in mehreren Intervallen zugeführt. Mit diesem mehrfachen Spülen kann bspw. größeren Verunreinigungen vorgebeugt werden, die z. B. mit einem einzigen Spülgang nach der materialabtragenden Bearbeitung nur noch bedingt entfernt werden können.

In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt das intervallweise Spülen jedenfalls in einem Zeitraum, der vom Beginn des materialabtragenden Bearbeitens bis zu dessen Ende reicht, bevorzugt kann es auch danach noch eines oder mehrere Spülintervalle geben. Auch unabhängig von der Taktung relativ zu den anderen Verfahrensschritten kann eine äquidistante Verteilung der Spülintervalle bevorzugt sein. Alternativ kann die zeitliche Staffelung der Intervalle und/oder die Intervalldauer, in der Gesamtschau also der Auslastungsgrad (Duty Cycle), aber auch an den Abtragprozess angepasst sein. Ist bei diesem der Stromverbrauch im Vergleich größer, kann der Auslastungsgrad höher eingestellt werden als bei einem im Vergleich geringeren Stromverbrauch.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schritte ii) und iii) zumindest zeitweilig simultan vorgenommen, wird also das Reduktionsmittel zugeführt, während das Werkstück materialabtragend bearbeitet wird. Im Allgemeinen kann auch (nur) nach der Bearbeitung gespült werden oder kann im Falle einer Intervallspülung (siehe vorne) die Bearbeitung zeitweilig unterbrochen werden. Der zeitliche Überlapp von Spülen und Bearbeiten kann bspw. hinsichtlich des Durchsatzes und auch die Prozess Stabilität beim Abtragen betreffend von Vorteil sein. Alternativ zu dem intervallweisen Spülen lässt sich die Gleichzeitigkeit auch erreichen, wenn während der materialabtragenden Bearbeitung kontinuierlich gespült wird. Dabei kann das Spülen bspw. nach einer bestimmten Bearbeitungsdauer (z. B nach der Hälfte, oder auch früher oder später) einsetzen und bis zum Ende der Bearbeitung und ggf. darüber hinaus vorgenommen werden. Es kann aber auch bereits von Beginn der Bearbeitung an oder auch bereits zuvor gespült werden.

Im Allgemeinen kann das Reduktionsmittel der Arbeitskammer in Tropfen- oder Strahlform zugeführt werden, in bevorzugter Ausgestaltung wird es jedoch über eine Düse in die Arbeitskammer ausgegeben. Damit kann z. B. eine Zerstäubung und damit großflächige Verteilung erreicht werden. Bevorzugt kann die Ausgabe über mehrere Düsen erfolgen, die in der Arbeitskammer verteilt angeordnet sind.

Auch unabhängig von diesen Details können mehrere Leitungssysteme mit der Arbeitskammer verbunden sein, also in diese münden oder aus ihr herausführen. Zusätzlich zu dem Reduktionsmittel- Leitungssystem, über welches das Reduktionsmittel in die Arbeitskammer geführt wird, kann es ein davon verschiedenes Elektrolytflüssigkeit-Leitungssystem geben, über welches der Arbeitskammer die Elektrolytflüssigkeit zugeführt wird. Ferner kann es ein gesondertes Schmutz -Leitungssystem geben, über das benutzte Elektrolytflüssigkeit und/oder benutztes Reduktionsmittel aus der Arbeitskammer abgeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit mit den Fe(II)-Ionen eine wässrige Salzlösung, besonders bevorzugt ist bzw. wird diese zuvor mit einem mit Fe(II)-Ionen beladenen lonenaustauscherharz in Kontakt gebracht. Damit kann bspw. einem Eintrag von Gegenionen (Fremdionen) vorgebeugt werden, die bei einer Fe(II)-Salzlösung im Allgemeinen vorhanden sein können (z. B. Sulfationen bei der Verwendung von Fe(II)-Sulfat). Im Ergebnis kann dies z. B., auch wenn die materialabtragende Bearbeitung und das Spülen simultan und/oder zeitverschachtelt erfolgen, einem Eintrag von Sulfationen in die Elektrolytflüssigkeit vorbeugen, was mit Blick auf deren Aufbereitung und erneute Verwendung von Vorteil sein kann.

Das In-Kontakt-B ringen der wässrigen Salzlösung mit dem beladenen lonenaustauscherharz kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die wässrige Salzlösung über ein lonenaustauscherbett oder durch eine lonenaustauschersäule geführt wird. Von den Fe(II)-Ionen, und ggf. anderen nichtstörenden Metallionen abgesehen, kann die als Reduktionsmittel genutzte Flüssigkeit im Wesentlichen identisch zu der Elektrolytflüssigkeit sein. Die Elektrolytflüssigkeit und/oder die Flüssigkeit mit den Fe(II)- lonen kann/können bspw. aufweisen: Natriumnitrat, Natriumchlorid, Natriumbromid, Kaliumnitrat, Natriumnitrit, Kaliumbromid, Natriumchlorat und/oder Natriumperchlorat, wobei Natriumnitrat besonders bevorzugt sein kann.

Das mit den Fe(II)-Ionen beladenen lonenaustauscherharz kann z. B. durch Behandeln eines (bevorzugt stark) sauren lonenaustauscherharzes mit einer wässrigen Fe(II)-Salzlösung hergestellt werden. Bei Letzterer kann es sich bspw. um eine Fe(II)-Sulfatlösung oder eine Fe(II)-Chloridlösung handeln.

Wie eingangs erwähnt, kann das Werkstück in bevorzugter Ausgestaltung aus einer chromhaltigen Legierung vorgesehen sein, vorzugsweise einer Nickelbasislegierung. Mit Blick auf solche Legierungen, im Allgemeinen aber auch unabhängig davon, kann das Werkstück bevorzugt für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk vorgesehen sein. In anderen Worten kann mit der materialabtragenden Bearbeitung ein Bauteil für eine Strömungsmaschine / ein Flugtriebwerk hergestellt werden, bspw. können die Schaufelfußaufnahmen einer Laufscheibe materialabtragend eingebracht werden.

Die an Reduktionsmittel zugegebene Menge wird in bevorzugter Ausgestaltung in Abhängigkeit von der bei der materialabtragenden Bearbeitung anfallenden Menge an Cr(VI)-Ionen eingestellt. Fallen im Verhältnis mehr Cr(VI)-Ionen an, wird mehr Reduktionsmittel zudosiert, wohingegen die zudosierte Menge bei einem geringeren Anfall kleiner ist. Bevorzugt wird der Anfall an Cr( VI) -Ionen dabei indirekt ermittelt, nämlich über die bei der materialabtragenden Bearbeitung verbrauchte Strommenge.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die benutzte Elektrolytflüssigkeit aus der Arbeitskammer abgeführt und in einem Schmutztank gesammelt, wobei auch dem Schmutztank eine Flüssigkeit mit Fe(II)-Ionen als Reduktionsmittel zugeführt wird. Bevorzugt hat die dem Schmutztank als Reduktionsmittel zugeführte Flüssigkeit die gleiche Zusammensetzung wie die der Arbeitskammer zugeführte Flüssigkeit und wird insofern auf die vorstehend angegebenen Details verwiesen. Besonders bevorzugt können die Flüssigkeiten zuvor in einem gemeinsamen Reservoir bevorratet werden, wobei dann die Flüssigkeit anteilig der Arbeitskammer (z. B. 10 %) und anteilig dem Schmutztank (z. B. 90 %) zugeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die benutze Elektrolytflüssigkeit und die als Reduktionsmittel benutzte Flüssigkeit über dasselbe Schmutz-Leitungssystem aus der Arbeitskammer abgeführt, bevorzugt gelangen sie dann in einen gemeinsamen Schmutztank. Etwa im Falle einer neutralen oder basischen Lösung kann die Reduktion darin enthaltener Cr(VI)-Ionen durch Fe(II)-Ionen zur Ausfällung entsprechender Metallhydroxide führen, also z. B. von Cr(III)- und Fe(III)-Hydroxid. Diese Hydroxide können aus der im Schmutztank gesammelten Flüssigkeit abgetrennt werden, z. B. durch Filtration und/oder Zentrifugation. Dies kann zwischen dem Schmutztank und einem Vorlagetank erfolgen, in dem die entsprechend aufbereitete Flüssigkeit dann erneut als Elektrolyt zur materialabtragenden Bearbeitung vorgehalten werden kann, um dann wieder der Arbeitskammer über bspw. das Elektrolytflüssigkeit-Leitungssystem zugeführt zu werden. Ein solches Elektrolytflüssigkeit-Versorgungssystem wird auch als Elektrolytmanagementsystem (EMS) bezeichnet. Die Elektrolytflüssigkeit (inkl. Reduktionsmittel) wird kontinuierlich im Kreislauf aufbereitet und für den ECM-Prozess wieder zur Verfügung gestellt.

Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zum elektrochemischen Abtragen, die eine Arbeitskammer zum Einsetzen des Werkstücks aufweist. Ferner weist die Anlage ein Elektrolytflüssigkeit-Versorgungssystem und ein Reduktionsmittel-Versorgungssystem auf, wobei Letzteres dazu vorgesehen ist, der Arbeitskammer ein Reduktionsmittel mit Fe(II)-Ionen zuzuführen. Im Einzelnen kann das Reduktionsmittel- Versorgungssystem dazu ein Reduktionsmittel-Leitungssystem, das in die Arbeitskammer mündet, und ein Reservoir zum Vorhalten des Reduktionsmittels aufweisen, vgl. die vorstehenden Anmerkungen. Das Elektrolytflüssigkeit-Versorgungssystem kann zu- sätzlich zu einem in die Reaktionskammer mündenden Elektrolytflüssigkeit-Leitungssystem einen Vorlagetank zum Vorhalten der Elektrolytflüssigkeit aufweisen, dieser kann optional über einen Schmutztank gespeist werden, vgl. die vorstehenden Anmerkungen.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Anlage mit einer Steuereinheit ausgestattet, die ein automatisiertes Öffnen der Arbeitskammer erst veranlasst oder ein händisches Öffnen erst freigibt, wenn die Arbeitskammer mit dem Reduktionsmittel gespült wurde.

Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft den zusätzlich als Teil des Elektrolytflüssigkeit-Versorgungssystems vorgesehenen Schmutztank, wobei das Reduktionsmittel-Versorgungssystem dann bevorzugt nicht nur über das Reduktionsmittel-Leitungssystem an die Arbeitskammer gekoppelt ist, sondern zudem auch den Schmutztank versorgt, vorzugsweise mit Reduktionsmittel aus demselben Reservoir, vgl. die vorstehenden Anmerkungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt

Figur 1 eine Anlage zum Bearbeiten eines Werkstücks durch elektrochemisches Abtragen;

Figur 2 einige Verfahrensschritte in einem Flussdiagramm zusammengefasst;

Figur 3 eine axiale Strömungsmaschine, nämlich ein Flugtriebwerk zur Illustration eines bevorzugten Anwendungsgebiets. Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Anlage 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 durch elektrochemisches Abtragen. Das Werkstück 2 wird dazu in eine Arbeitskammer 3 eingesetzt, die dann verschlossen wird. In der Arbeitskammer 3 ist ein Bearbeitungswerkzeug 4, vorliegend eine ECM-Kathode vorgesehen. Mit einer externen Spannungsquelle (nicht dargestellt) wird das Bearbeitungs Werkzeug 4 als Kathode und das Werkstück 2 als Anode polarisiert. Infolgedessen stellt sich in einem Arbeitsspalt 5, dem eine Elektrolytflüssigkeit 6 zugeführt wird, ein Elektronenstrom ein und werden Metallio- nen aus dem Werkstück 2 gelöst. Vorliegend ist dieses aus einer chromhaltigen Legierung vorgesehen und werden u.a. Cr(VI)-Ionen gelöst.

Diese können, wie in der Beschreibungseinleitung im Einzelnen dargelegt, ein Sicherheitsrisiko darstellen. Deshalb weist die Anlage 1 ein Reduktionsmittel- Versorgungssystem 10 mit einem Reservoir 11 und einem Reduktionsmittel-Leitungssystem 12 auf. Darüber kann der Arbeitskammer 3 eine Flüssigkeit 15 mit Fe(II)-Ionen zugeführt werden, sodass das Cr(VI) bereits in der Arbeitskammer 3 zu Cr(III) reduziert werden kann. Die Arbeitskammer 3 wird dabei vor der Entnahme des bearbeiteten Werkstücks 2 mit der Flüssigkeit 15 gespült, wozu diese z. B. an einer Düse 13 ausgegeben werden kann.

Die Elektrolytflüssigkeit 6 wird der Arbeitskammer 3 über ein Elektrolytflüssigkeit- Versorgungssystem 20 zugeführt, das u.a. einen Vorlagetank 21 und ein Elektrolytflüssigkeit-Leitungssystem 22 aufweist. Über ein Schmutz-Leitungssystem 25 wird die benutzte Elektrolytflüssigkeit 6 aus der Arbeitskammer 3 abgeführt, und zwar gemeinsam mit der als Reduktionsmittel genutzten Flüssigkeit 15. Das Schmutz-Leitungssystem 25 führt in einen Schmutztank 30. Diesem wird ebenfalls eine Flüssigkeit mit Fe(II)-Ionen als Reduktionsmittel zugeführt, und zwar über ein Schmutztank-Leitungssystem 35 aus demselben Reservoir 11 wie der Arbeitskammer 3. Von dem Schmutztank 30 gelangt die benutzte Flüssigkeit 40 in eine Filtrier- und/oder Zentrifugiereinheit 45. In gereinigter Form wird sie dann wieder dem Vorhaltetank 21 zugeführt und dort als Elektrolytflüssigkeit 6 zum Bearbeiten des Werkstücks 2 vorgehalten. Fig- 2 illustriert die Abläufe in der Arbeitskammer in einem Flussdiagramm 50. Zunächst wird das Werkstück eingesetzt 51, danach wird die Arbeitskammer verschlossen 52. Bevor sie wieder geöffnet wird 53 um das Werkstück herauszunehmen 54, wird der Arbeitskammer die Flüssigkeit mit den Fe(II)-Ionen als Reduktionsmittel zugeführt 55, was vorliegend in mehreren Intervallen 56.1-56.4 erfolgt. Dies haben im vorliegenden Beispiel einen zumindest teilweisen zeitlichen Überlapp mit der Bearbeitung des Werkstücks, also dem Materialabtragen 57.

Fig. 3 zeigt eine axiale Strömungsmaschine 60, konkret ein Flugtriebwerk 61. Dieses gliedert sich funktional in Verdichter 62, Brennkammer 63 und Turbine 64, wobei sowohl der Verdichter 62 als auch die Turbine 64 aus mehreren Stufen mit jeweils einem Stator und einem Rotor aufgebaut ist (nicht im Einzelnen referenziert). Im Verdichter 62 wird angesaugte Luft komprimiert, diese wird dann in der Brennkammer 63 mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas wird in der Turbine 64 expandiert, wobei die gewonnene kinetische Energie zum Antreiben des Verdichters 62 und zur Vorschuberzeugung genutzt wird. Auch mit Blick auf die hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen können verschiedene Bauteile aus hochleistungsfähigen Legierungen vorgesehen sein, die sich vorteilhaft in einem vorliegend offenbarten Verfahren bearbeiten lassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

Anlage 1

Werkstück (als Anode) 2

Arbeitskammer 3

Bearbeitungswerkzeug (als Kathode) 4

Arbeitsspalt 5

Elektrolytflüssigkeit 6

Reduktionsmittel- V ersor gungssyste m 10

Reservoir 11

Reduktionsmittel-Le itungssystem 12

Düse 13

Flüssigkeit (Reduktionsmittel) 15

Elektrolytflüssigkeit-Versorgungssystem 20

Vorlagetank 21

Elektrolytflüs sigke it- Leitungs sy ste m 22

Schmutz-Leitungssystem 25

Schmutztank 30

Schmutztank-Leitungssystem (führt Reduktionsmittel zu Schmutztank) 35 benutzte Flüssigkeit 40

Filtrier- und/oder Zentrifugiereinheit 45

Flussdiagramm 50

Einsetzen des Werkstücks 51

Verschließen der Arbeitskammer 52

Öffnen der Arbeitskammer 53

Herausnehmen des Werkstücks 54

Zuführen von Flüssigkeit mit den Fe(II)-Ionen als Reduktionsmittel 55

Vorgang in mehreren Intervallen 56.1-56.4

Materialabtragen 57

Axiale Strömungsmaschine 60

Flugtriebwerk 61

Verdichter 62 Brennkammer

Turbine