Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks und Elektrode für ein solches Verfahren

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft verschiedene Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines in einem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren als Elektrode zu verwendenden Werkzeugs, das zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstückes bestimmt ist. Außerdem betrifft die Erfindung Elektroden, die zur Verwendung in einem Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks bestimmt sind.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Zum Bearbeiten von Werkstücken und insbesondere zur Herstellung einer bestimmten Werkstückoberfläche sind allgemein abtragende Verfahren wie Fräsen oder Drehen bekannt. Ein Problem bei diesen Abtragungsverfahren ist, dass kleine und komplizierte Werkstückoberflächen nicht oder nur relativ unwirtschaftlich herstellbar sind.

Für spezielle Anwendungen ist darüber hinaus das Abtragen von Material mittels Funkenerosion, Elysieren oder durch Metallätzen bekannt. Diese drei Verfahren haben gemeinsam, dass elektrischer Strom für den gewünschten Materialabtrag am Werkstück verantwortlich ist. Alle drei vorgenannten Verfahren finden in flüssigen Wirkmedien statt.

Bei der Funkenerosion findet ein Materialabtrag oder eine Materialwanderung zwischen elektrisch leitenden Kontakten statt. Die Elektroden sind hierbei das formgebende Werkzeug und das zu bearbeitende Werkstück. Die Funken in einem Erosionsspalt stellen zeitliche und örtliche Entladungen dar, deren Wirkung auf der Werkstückoberfläche durch Abtragstrichter und Abtragskrater gekennzeichnet sind. Die mit einem Puls- oder Relaxationsgenerator betriebenen Maschinen können die Verfahren des Senkens, Drahterodierens, Schleifens oder Sägens UP:UP

realisieren. Elektroden für das Funkenerosionsverfahren werden heutzutage durch Fräsen von Graphit oder Kupfer hergestellt, da diese Materialien ein für die Funkenerosion günstiges Abbrandverhalten zeigen. Andere Materialien sind hierfür nur sehr bedingt geeignet.

Nachteilig bei der Funkenerosion ist allerdings, dass die Elektroden einem Materialverschleiß unterliegen und das Bearbeiten eines Werkstücks lange dauert und damit teuer ist. Entsprechend wird dieses Verfahren nur bei ganz speziellen Werkstücken angewendet. Eine wirtschaftliche Serienbearbeitung von Werkstücken ist eher nicht realisierbar.

Bei dem sogenannten Elysieren, das, auch als elektro-chemisches Milling (ECM- Verfahren) bezeichnet wird, handelt es sich um ein elektro-chemisches Bearbeitungsverfahren, bei dem unter Einfluss einer Gleichspannung in wässrigen Lösungen von Salzen oder Säuren als Elektrolyten Metallatome der Anode - also des Werkstückes - in Lösungen gehen. Es ist die Umkehrung der Galvanisierung. Der zwischen Werkstück und Werkzeug fließende Gleichstrom formt bei diesem Verfahren durch Herauslösen von Werkstoffpartikeln das Werkstück zu der vorgegebenen Gestalt. Zur Geometriebestimmung wird ein Elektrolyt durch eine isolierte Düse auf eine Geschwindigkeit bis 30 m/s gebracht und erreicht bei Stromdichten von 250 A/cm ² sehr hohe Abtragungsraten. Es lassen sich insbesondere Werkstückgeometrien und -Oberflächen mit Rauhigkeiten bis herab zu R _t = 0,5 μm bei Gradfreiheit erzielen. Kennzeichnend ist bei diesem Elysieren, dass sehr hohe Abtragungsgeschwindigkeiten und Feinheiten erreicht werden können. Wie bereits zuvor angedeutet, ist in dem Verfahren das zu bearbeitende Werkstück eine Elektrode, die andere Elektrode ist das Werkzeug, das die gewünschte Formgebung an dem Werkstück besitzt, so dass der gewünschte entsprechende Abtrag am Werkstück erfolgt. Bisher wurde das Elysieren oder ECM- Verfahren oftmals nur bei ganz speziellen Bauteilen eingesetzt, insbesondere zum effektiven Entgraten von metallischen Serienbauteilen bzw. zur

Oberflächenglättung von beispielsweise Turbinenschaufeln. In letzter Zeit wurde auch daran geforscht, dieses Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen und sehr präzisen Ministrukturen einzusetzen.

Die Verwendung des ECM- Verfahren nur für spezielle Bauteile liegt darin begründet, dass zum einen eine sehr gute Spülung notwendig ist, um den Abtragungsprozess aufrecht zu erhalten, zum anderen werden im gesamten Spalt zwischen dem als Elektrode wirkenden Werkzeug und dem zu bearbeitenden Werkstück Metallionen aus dem Werkstück proportional vom Stromfluss - im Regelfall proportional zum Spaltabstand - abgetragen, wodurch nicht immer die erforderliche

Genauigkeit erreicht wird. Darüber hinaus sind tiefe Schlitze oder ähnliche Geometrien in Werkstücken mit den bisherigen Elektroden für das Elysieren kaum möglich, da die notwendigen Spülkanäle nicht oder nur mit erheblichem Aufwand eingebracht werden können. Für weitere Informationen zum Elysieren von Werkstücken wird beispielsweise auf folgende Druckschriften verwiesen: CH 538 906 A, DE 199 59 593 Al, DE 1 813 017 A, DE 1 765 890 Bl, DE 17 65 890 B, US 5,738,777, DD 287 617 A7.

Die GB 2 096 518 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Bearbeiten eines Werkstücks. Hier werden ein sogenanntes EDM- Verfahren und ein ECM- Verfahren unter Verwendung eines starken Elektrolyten miteinander kombiniert. Das Werkstück als auch ein hier zur Formung des Werkstücks verwendetes Werkzeug sin,d nicht im Detail erläutert. Als Elektroden sind lediglich übliche Kupfer-Graphit-Drähte oder Wolframelektroden genannt.

In der US 5,833,835 ist ein Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück und einer elektrisch leitfähigen Elektrode offenbart. Auch hier wird wiederum auf allgemein übliche Elektroden verwiesen.

In der DE 101 11 019 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines elektrisch leitfähigen und als Anode geschalteten Gegenstands durch einen

ECM-Prozess beschrieben. Die offenbarte ECM- Anlage weist eine Anode und eine Kathode auf und zwischen der Kathode und der zu strukturierenden Oberfläche befindet sich ein Elektrolyt. Die Struktur auf der Oberfläche des Gegenstands wird mittels einer in die ECM- Anlage integrierten Maske hergestellt. Es ist zudem noch offenbart, dass die Kathode, die Maske und die zu strukturierende Oberfläche als Sandwich verpresst sein können.

Aus der DE 102 37 324 Al ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für die elektrochemische Bearbeitung eines Werkstücks und eine nach dem Verfahren hergestellte Elektrode offenbart. Hier wird ein Elektrodenkörper aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial an der Oberfläche mit einem Isoliermaterial beschichtet. Dann erfolgt ein Entfernen des Isoliermaterials in Bereichen der Oberfläche des Elektrodenkörpers, welche einer Struktur entsprechen, die durch elektro-chemische Bearbeitung in der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden soll.

-A-

Die EP 0 223 401 Al zeigt eine teilweise leitende Kathode für eine elektro-chemische Bearbeitung. Die Kathode umfasst eine Bearbeitungsoberfläche, von der zumindest ein Teil aus nicht leitenden und leitenden Materialien, die aufeinandergeschichtet sind, besteht, wobei der Abstand und die Dicke der nicht leitenden und leitenden Materialien so gewählt sind, dass ein zu starkes Abtragen an einem konvexen Radius der Werkstückoberfläche verringert wird.

Ergänzend ist auf das sogenannte PEM- Verfahren hinzuweisen, das eine Adaption des klassischen elektro-chemischen Verfahrens ist. Dieses Verfahren ist von der Firma PEM Technologiegesellschaft für elektro-chemische Bearbeitung mbH / Deutschland entwickelt worden. Bei der PEM-Technologie handelt es sich um eine modifizierte Variante des zuvor erläuterten ECM- Verfahrens und ist damit unter der Gattung ECM- Verfahren bzw. Elysieren oder allgemein elektro-chemisches Bearbeiten zu subsumieren. Die PEM-Technologie setzt auf der direkten und weitgehenden proportionalen Abhängigkeit von Spaltabstand zwischen Elektrode und Werkstück und damit erzielbaren Geometrie- oder Oberflächengenauigkeiten auf. Die notwendige Spülung des Spalts mit frischem Elektrolyt lässt sich bei Spalten um 10 μm nicht mehr realisieren. Entsprechend stellt dieser Spaltabstand die Grenze für das klassische EMC- Verfahren dar. Da also ein gleichzeitiges Abtragen und Spülen bei dem klassischen ECM- Verfahren nicht möglich ist, schaltet man bei dem PEM- Verfahren die beiden Vorgänge hintereinander. Ein Abtragen findet bei engstmöglichem Spalt statt, das Spülen des Spaltes bei größtmöglichem Spalt (mehrere zehntel Millimeter). Das führt zu einer oszillierenden

Elektrodenbewegung. Bei dem PEM- Verfahren sind etwa 50 Hz realisiert. Das heißt, durch die Veränderung der Spaltweite können präzisere Oberflächengenauigkeiten erzielt werden. Es handelt sich also grundsätzlich um ein Senkerosionsverfahren mit vibrierender Elektrode. Zwischen Elektrode und Werkstück wird - wie zuvor bezüglich des ECM- Verfahrens beschrieben - eine Gleichspannung angelegt, wodurch sich das Werkstück entsprechender

Geometrie der nachfahrenden Elektrode auflöst. Es entstehen Bauteile mit beliebig komplizierten geometrischen Formen in nahezu allen elektrisch leitenden Metallen, wie z.B. hochvergüteten Stählen, Wälzlagerstählen, pulver-metallurgischen Stählen sowie Superlegierungen (z.B. Nickelbasis-Legierung).

Mit dem PEM- Verfahren erschließt sich damit der Zugang zur Applikation, die mit den bekannten Verfahren der Funkenerosion oder dem klassisch elektro-chemischem Abtragen bislang nicht oder nicht wirtschaftlich hergestellt werden können.

Die für die Durchführung des ECM- Verfahrens und des PEM- Verfahrens notwendigen Elektroden werden bisher mit klassischen Verfahren wie Fräsen, Erodieren oder ätzen hergestellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks vorgeschlagen, bei dem ein Werkstück insbesondere in Rapid-Prototyping-Technologie in Schichten aus einem leitfähigen Material aufgebaut wird. Das in Schichtbauweise hergestellte Werkstück wird anodisch kontaktiert und ein als Elektrode dienendes Werkzeug wird gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks derart angeordnet, dass ein Spalt verbleibt. Das Werkzeug wird kathodisch kontaktiert und in den Spalt zwischen Werkstück und Werkzeug wird ein leitfähiges Medium eingebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metallionen aus dem Werkstück gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück gemäß der Kontur des Werkzeuges erfolgt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein zum Bearbeiten eines Werkstücks, bei dem alternativ zu dem zuvor genannten erfϊndungsgemäßen Bearbeitungsverfahren anstatt des Werkstücks das als Elektrode dienende Werkzeug in Schichtbauweise mittels Rapid- Prototyping-Technologie hergestellt wird. Es wird also erfϊndungsgemäß ein metallisches Werkstück anodisch kontaktiert und ein in Schichten aufgebautes Werkzeug gegenüber einer zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks derart angeordnet, dass ein Spalt verbleibt. Das Werkzeug wird kathodisch kontaktiert und ein leitfähiges Medium wird in den Spalt gebracht, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Strom fließt und durch eine Elektrolyse Metall-Ionen aus dem Werkstück gelöst werden, wodurch ein definierter Abtrag am Werkstück erfolgt. Anzumerken ist, dass eine Metallschicht auf zumindest einem Teil der Außenseite der hergestellten Elektrode aufgebracht wird, falls die einzelnen Schichten, aus der sie aufgebaut wurde, aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bestehen.

Ein Alternative der zuvor genannten Verfahren umfasst das Herstellen in Schichtbauweise sowohl des Werkstücks als auch des als Elektrode dienenden Werkzeugs.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode zu verwendenden Werkzeugs vorgeschlagen, welches Werkzeug zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks bestimmt ist. Hierbei wird die Elektrode in Schichtbauweise mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens hergestellt, wobei eine für das Abtragen des Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur auf der Elektrode erzeugt wird. Falls die Schichten der hergestellten Elektrode aus einem nicht leitenden Material bestehen, wird eine Metallschicht auf zumindest einem Teil der Außenseite der hergestellten Elektrode, der ein Abtrag an dem Werkstück bewirken soll, in bekannter Weise aufgebracht. Das Aufbringen der Metallschicht kann im letzteren Fall beispielsweise durch Galvanisieren, in einem CVD- Verfahren, PVD-Verfahren, Lackieren, Aufspritzen oder ähnlichem erfolgen.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform der zuvor genannten erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Herstellen der Elektrode oder des Werkstücks in Schichtbauweise zumindest ein Kanal erzeugt, der zur Außenseite der Elektrode bzw. des Werkstücks führt, um ein leitfähiges Medium beim Benutzen der Elektrode bzw. des Werkstücks in dem ECM- Verfahren in einen Arbeitsspalt zwischen Elektrode und Werkstück zuzuführen oder dieses durch den Kanal absaugen zu können.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines in einem ECM- Verfahren als Elektrode zu verwendenden Werkzeuges zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Dieses weitere erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte: Herstellen eines Körpers aus einer Vielzahl von Schichten mittels einem Rapid-Prototyping- Verfahren, deren jeweilige Konturen zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden. Daraufhin erfolgt ein Abformen des aus einer Vielzahl von Schichten bestehenden Körpers zur Herstellung einer Gussform, deren Innenkontur durch das Abformen, die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers hat. Dann wird ein Elektrodenkörper in der hergestellten Gussform gegossen, wodurch die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM-Verfahren gewünschte Außenkontur eines Elektrodenkörpers erzielt wird. Schließlich wird eine elektrisch leitfähige Schicht aus zumindest einem Teil der Oberfläche des gegossenen Elektrodenkörpers aufgebracht, falls der Elektrodenkörper selbst aus einem nicht leitfähigen Material besteht. Die Verfahren zum Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schicht

wie eine Metallbeschichtung sind allgemein bekannt. Insbesondere wird auf die zuvor erläuterte, beispielhafte Auswahl an geeigneten Metallbeschichtungsverfahren verwiesen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Elektrode zur Verwendung in einem ECM- Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Diese erfindungsgemäße Elektrode umfasst einen Elektrodenkörper, der aus einer Vielzahl von mittels Rapid-Prototyping-Technologie hergestellten Schichten besteht, deren jeweilige Kontur zusammen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden. Auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieses Elektrodenkörpers ist eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht, falls die Schichten nicht aus einem leitfähigen Material bestehen.

Schließlich betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Elektrode zur Verwendung in einem ECM- Verfahren zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Hier umfasst die erfmdungsgemäße Elektrode einen Elektrodenkörper mit einer zum Abtragen eines Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschten Außenkontur. Der Elektrodenkörper ist hier durch Giessen in einer Gießform hergestellt, deren Innenkontur durch Abformen eines Körpers festgelegt ist, der aus einer Vielzahl von mittels Rapid-Prototyping-Technologie hergestellten Schichten besteht, deren jeweilige Konturen zusammengenommen die zum Abtragen eines Werkstücks im ECM- Verfahren gewünschte Außenkontur des Elektrodenkörpers bilden.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die für völlig andere Einsatzgebiete bekannten Rapid-Prototyping-Technologien zum schichtweise Aufbauen eines Körpers mit komplizierten Oberflächenstrukturen mit dem ECM- Verfahren zu verknüpfen. Erstmals können präzise metallische Werkstücke und Werkzeuge in einfacher Weise kostengünstig und in sehr kurzer Zeit hergestellt werden. Insbesondere sind erstmals Elektroden zur Verwendung in ECM- Verfahren mit bisher nicht realisierbaren Oberflächenstrukturen und Genauigkeiten herstellbar. Damit sind auch die bisherigen ECM- Verfahren für völlig neue Werkstückbearbeitungen einsetzbar. Durch die genauere und kostengünstige Herstellung von Elektroden in Schichtbauweise entsprechend den an sich für andere Einsatzgebiete bekannten schichtaufbauenden Rapid-Prototyping-Technologien können damit auch komplizierte Werkstücke in den genannten ECM- Verfahren wirtschaftlich erzeugt werden. Insbesondere weil die Elektroden in den ECM- Verfahren keinem Verschleiß unterliegen, kommen die besonderen Vorteile des Schichtaufbaus der Elektroden nunmehr auch bei größeren Serienanfertigungen von

Werkstücken mit komplizierten und hohe Genauigkeiten aufweisenden Oberflächen zum Einsatz.

Insbesondere ist aus auch erstmals möglich, in den Elektroden für das ECM-Verfahren oder auch in den Werkstücken, die schichtweise aufgebaut sind, und mittels eines ECM- Verfahrens zu bearbeiten sind, Spül- und/oder Absaugkanäle vorzusehen. Es können insbesondere auch äußerst komplizierte Spül- und/oder Absaugkanalsysteme in den Elektroden (also dem Werkstück und/oder dem Werkzeug für des ECM-Verfahren) hergestellt werden. Ein Spül- oder Absaugkanalsystem umfasst hier mehrere Kanäle, die zu verschiedenen Stellen an der Oberfläche der Elektroden führen und eine gezielte Zu- oder Abführung von Elektrolyt erlauben.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorgeschlagene Kombination von ECM-Verfahren und einem Schichtaufbau von Elektroden mittels Rapid-Prototyping- Verfahren schnelle und automatisierbare Systeme zur Herstellung von komplizierten Werkstücken realisieren lassen. Es können hohe Genauigkeiten und komplexe Strukturen an den Werkstücken erzielt werden. Insbesondere sind auch sehr glatte, d.h. geringe Rauhigkeiten aufweisende Bauteile wirtschaftlich herstellbar. Insbesondere ist auch jeder metallische Werkstoff als Werkstoff einsetzbar. Es gibt grundsätzlich keine großen Beschränkungen und es sind beliebig viele Kopien von Werkstücken produzierbar. Erstmals kann auch eine Optimierung der Spülung im ECM- Verfahren für das Elektrolyt realisiert werden. Wie bereits zuvor erläutert, ist insbesondere auch die eingangs genannte PEM-Technologie mit den vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Spülung bzw. ein Absaugen des Elektrolyten im Wechsel erfolgen. Es können in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform alternativ nur für das Zuführen bestimmte Kanäle oder Bohrungen und nur für das Absaugen bestimmte Kanäle oder Bohrungen vorhanden sein.

Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass die Beaufschlagung mit Ultraschall bei der Metall-Ionenabtragung überlagert wird, um beispielsweise die Spülwirkung zu erhöhen.

Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass mit Vibrationen in unterschiedlichen Wirkrichtungen gearbeitet wird, um wiederum die Spülwirkung zu erhöhen oder die Genauigkeit des Materialabtrags am Werkstück zu erhöhen. Damit könnten komplizierte spezifischen Formen wie Schraubgewinde, Hinterschneidungen, Eindrehungen oder auch Schiebergeometrien hergestellt werden.

Es ist mittels der erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere möglich, mehrere Werkstücke aus gleichen oder unterschiedlichen Metallen gleichzeitig im ECM- Verfahren zu bearbeiten.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die

Bearbeitung in einem ECM- Verfahren von mehreren Werkstücken in einer ersten Stufe getrennt erfolgen, wie beispielsweise ein konturnahes Elysieren, und in einer zweiten Stufe erfolgt ein gemeinsames Bearbeiten der mehreren Werkstücke, z.B. ein Elysieren zur Erzielung einer bestimmten Kontur an beiden Bauteilen.

Die für die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommenden Schichtaufbauverfahren in Rapid- Prototyping-Technologie bzw. Rapid-Prototyping- Verfahren können sowohl metallische Werkstücke als auch Kunststoffbauteile erzeugende Verfahren sein. Verfahren zum Erzeugen von metallischen Bauteilen können beispielsweise folgende Verfahren sein: DMLS der Firmen EOS und MCP, MLS der Firma 3D Systems, Lasercusing der Firma Konzeptlaser,

Laserschmelzen der Firma Trumpf, Electron Beam Melting der Firma Arcam und Electron Beam Sintering sein. Ein Beispiel für ein Schichtaufbauverfahren, das Kunststoffbauteile erzeugt und bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, ist die Stereolithographie.

Erfindungsgemäße Elektroden können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hohl sein und/oder eine spezielle Füllung besitzen. Die Füllung kann insbesondere ein leitfähiges Gewebe oder Pulver sein, um die übertragung hoher Stromstärken zu ermöglichen.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können erfindungsgemäß Elektroden auch eine innere Raumgitter- oder Sinterstruktur haben oder auch in Schalen aufgebaut sein. Insbesondere sind auch mehrteilig aufgebaute Elektroden zur mehrstufigen Bearbeitung möglich. Der erfindungsgemäße Aufbau von Elektroden zur

Verwendung in ECM- Verfahren ermöglicht auch unterschiedliche Strukturbereiche an Elektroden.

Es können auch erfindungsgemäße Elektroden für ein ECM- Verfahren hergestellt werden, die über ein Gussverfahren in Verbindung mit der Rapid-Prototyp-Schichtbauweise hergestellt werden. Als Gussverfahren eignet sich hierzu insbesondere Vakuumguss, Frontguss, Feinguss, . Wachsausschmelzverfahren, Gilvac, Genauguss etc., so dass die erfindungsgemäßen Elektroden durch Positivmuster entstehen. Es sind aber auch Elektroden in Schichtbauweise zur Verwendung in ECM- Verfahren herstellbar, die über ein Gussverfahren wie beispielsweise Vakuumguss, Frontguss, Feinguss, Wachsausschmelzverfahren, Gilvac, Genauguss etc. aus Negativmustern entstehen.

Ergänzend ist anzumerken, dass unter den Begriffen „Rapid-Prototyping- Verfahren" und „Rapid-Prototyping-Technologie" in Bezug auf die vorliegende Erfindung nicht nur die hier ausdrücklich genannten Verfahren zu subsumieren sind, sondern auch alle weiteren Verfahren und Technologien, die ein Fachmann dem Gebiet der Rapid-Prototyping- Verfahren zuordnet. Allgemein fallen alle Verfahren hierunter, die einen Körper schichtweise aufbauen. Außerdem sind unter den genannten Begriffen auch alle möglichen Kombinationen von einzelnen Schichtbauverfahren zu subsumieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im Folgenden sind zur besseren Erläuterung und Verständnis mehrere beispielhafte Ausfiihrungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die verschiedenen Schritte I - IV eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum elektro-chemischen Bearbeiten eines Werkstücks mit in Schichtbauweise hergestellter Elektrode;

Fig. 2 ein Detail des Verfahrensschrittes IV gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Schnittansicht einer Elektrode und eines Werkstücks, wobei die Elektrodenform gegenüber der Fig. 2 abgewandelt ist;

Fig. 4 eine den Fig. 2 und 3 gleichende Schnittansicht eines Werkstücks und einer

Elektrode, wobei die Elektrode gegenüber den Darstellungen in den Fig. 2 und 3 mit einer Metallschicht versehen ist;

Fig. 5 eine mehrteilige Elektrode für das ECM- Verfahren, deren Teile aus verschiedenen

Materialien bestehen;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hohlen Elektrode für das

ECM-Verfahren;

Fig. 7 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Spül- und Saugkanälen für das ECM-Verfahren;

Fig. 8 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM-Verfahren, die hohl aufgebaut ist und in einem leitfähigen Werkstoff eine Füllung besitzt;

Fig. 9 eine weitere beispielhafte Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM- Verfahren, die hohl aufgebaut ist und eine leitfähige Beschichtung sowie eine Füllung besitzt;

Fig. 10a) - h) verschiedene Oberflächenstrukturen von erfindungsgemäßen Elektroden;

Fig. 11 eine Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Elektrode;

Fig. 12 eine in einer schichtweise aufgebauten Gussform hergestellte erfindungs gemäße Elektrode für das ECM- Verfahren;

Fig. 13 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode für das ECM- Verfahren, die durch Guss in einer in Schichtbauweise hergestellten Gussform geformt ist,

Fig. 14 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfassend eine

Elektrode zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei oder mehr Werkstücken,

Fig. 15 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfassend zwei Elektroden zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei verschiedenen Bereichen eines Werkstücks.

BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFUHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 näher erläutert. Das hierbei eingesetzte Stereolithographie- Verfahren ist rein beispielhaft und kann durch andere Schichtbauverfahren, wie eingangs erwähnt, ersetzt werden.

Wie im Teilschritt I der Fig. 1 gezeigt ist, wird in an sich bekannter Weise in einer RP -Maschine (Rapid Prototyping) in einem flüssigen Kunststoffbad 11 ein Elektrodenkörper 1 schichtweise aufgebaut. Hierzu wird mittels eines Lasers 15, der in der in Fig. 1 dargestellten Ansicht sowohl

in der Horizontalebene verfahrbar ist als auch höhenverstellbar ist, der gewünschte Querschnitt einer Schicht 3 des Elektrodenkörpers 1 erzeugt. Dazu wird der Laser 15 entsprechend der gewünschten Kontur in der Horizontalebene verfahren und durch entsprechendes Belichten ein Teil der Kunststoffschicht 13 des flüssigen Kunststoffs 11 belichtet und damit ausgehärtet. Somit lassen sich beliebige Konturen und Schichtformen 3 erzeugen.

Sobald die gewünschte Schicht 3 geschaffen ist, wird der schon belichtete und ausgehärtete Kunststoffteil nach unten abgesenkt und zwar um die neue gewünschte Schichtdicke. Die neue flüssige Kunststoffschicht 13 oberhalb der obersten Schicht 3 wird wiederum belichtet und dadurch gehärtet. Dadurch entstehen beliebig konturierbare und eventuell mit öffnungen etc. versehene Schichten 3, die zusammen einen Elektronenkörper 1 bilden. Wie in der Fig. 1 / 1 gezeigt, kann somit eine Elektrode 1 auf verschiedenen Seiten verschiedene Konturen 5 und 9 erhalten.

Dieser im Stereolithographie-Verfahren schichtweise aufgebaute Elektrodenkörper 1 besteht bei dem genannten Beispiel aus Kunststoff. Durch Beimischung von entsprechenden Materialien in dem durch den Laser 15 härtbaren Kunststoff kann der Elektrodenkörper 1 leitfähig gemacht werden. Falls diese Leitfähigkeit nicht ausreicht, um einen solchen Elektrodenkörper 1 im ECM- Verfahren einzusetzen, kann eine solche Elektrode 1 auch mit einer metallischen Beschichtung 2 versehen werden, wie später noch erläutert werden wird.

Für die Schritte II - IV ist davon auszugehen, dass der Elektrodenkörper 1 elektrisch leitfähig ist. Im Schritt II ist die Elektrode 1 mit einem elektrischen Anschluss 17 versehen, der über ein Kabel 19 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Ein Werkstück 21 ist ebenfalls mit einem Anschluss 23 versehen und über ein Kabel 25 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Das Werkstück 21 bildet hier die Anode, das Werkzeug, also die Elektrode 1 die Kathode. Diese Anordnung befindet sich in einer an sich bekannten ECM-Maschine oder einer PEM-Maschine.

Im Schritt III wird ein Elektrolyt 32 über eine Düse 33 in einen Arbeitsspalt 50 zwischen dem Elektrodenkörper 1 und dem Werkstück 21 über einen Zwischenraum 32 eingeführt. Hierdurch erfolgt der gewünschte Materialabtrag am Werkstück 21. Für weitere Details hierzu wird auf die an sich bekannten Arbeitsweisen von ECM-Maschinen oder PEM-Maschinen verwiesen.

Wie im Schritt IV gezeigt, wird nun nach und nach unter Höhenverstellung der Elektrode 1 und/oder des Werkstücks 21 eine gewünschte Aushöhlung 35 im Werkstück 21 erzeugt. Diese Aushöhlung 35 kann dann entsprechend der durch die Schichtbauweise erzeugten Außenkontur des Elektrodenkörpers 1 eine gewünschte definierte Kontur erhalten.

In der Fig. 2 ist eine Detailansicht des Verfahrensschrittes IV der Fig. 1 gezeigt. Wie hieraus deutlicher wird, strömt das Elektrolyt 32 auf einer Seite ein, wandert durch den Arbeitsspalt 50 und wird wieder aus der Aushöhlung 35 herausgeführt. Eine Materialabtrag erfolgt im Wesentlichen im Arbeitsspalt 50. An den Seiten 5 und 9 des Elektrodenkörpers 1 erfolgt im Wesentlichen keine Abtrag.

Die Darstellung in der Fig. 3 entspricht im Wesentlichen der Fig. 2. Es ist lediglich die Form der Elektrode 1 geändert. Hier weist ein vorderer Teil Schichten mit einer Schichtdicke 3' auf, der hintere Teil, der den Stiel bildet, umfasst dickere Schichten 3. Diese Elektrodenform kann bei der Bearbeitung des Werkstücks 21 Vorteile haben, da dann sichergestellt ist, dass tatsächlich an den Seiten 5 und 9 kein Materialabtrag erfolgt.

Wie bereits eingangs erläutert, zeigt die Fig. 4 eine grundsätzlich der Darstellung der Fig. 2 und 3 gleichende Ansicht. Hier besteht die Elektrode aus einem Elektrodenkörper 1 und einer Beschichtung 2. Der Elektrodenkörper 1 kann hier wiederum aus Kunststoff bestehen, die Beschichtung 2 ist eine Metallbeschichtung. Sie kann beispielsweise aufgedampft oder durch Lackieren auf den Elektrodenkörper 1 aufgebracht sein. Das Aufbringen der Metallschicht 2 durch Galvanisieren oder dergleichen ist auch möglich.

In der Fig. 5 ist eine weitere alternative Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Elektrode gezeigt. Hier besteht die Elektrode 1 aus zwei Teilen Ia und Ib. Der Elektrodenkörper Ia ist in dem Elektrodenkörper Ib eingesetzt. Beide bestehen aus in Schichtbauweise erstellten Sinterkörpern. Die Porosität der Teile Ia und Ib ist hier unterschiedlich. Am Elektrodenkörper Ia ist ein Anschluss 17 für den Strom und eine Elektrolytzuführung 22 vorhanden. über diese Elektrolytzuführung 22 wird das Elektrolyt 32 in den Sinterkörper Ia der Elektrode eingebracht und strömt durch die höhere Porosität in dem Teil Ib aus dem Elektrodenkörper Ia heraus. Wie hieraus ersichtlich ist, weist der Elektrodenkörperteil Ib eine komplizierte Außenkontur auf, wodurch die Form des Materialabtrags am Werkstück 21 entsprechend steuerbar ist.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Elektrode für ECM- Verfahren mit einem hohlen Elektrodenkörper 1, der eine Wandung 43 aus schichtweise aufgebautem Sintermetall umfasst. In der Wandung 43 sind Führungskanäle 44 vorhanden, die ein gezieltes Zuführen eines Elektrolyts 32 erlauben. Die Führungskanäle 44 können bereits beim schichtweise Aufbauen der Wandung 43 erzeugt werden oder sie werden nachher separat durch Bohren oder dergleichen hergestellt.

Die Fig. 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Elektrodenkörpers 1. Hier sind in dem Elektrodenkörper 1 mehrere Elektrolytzuführungskanäle 53 und Elektrolytabsaugkanäle 55 vorhanden. Diese Kanäle 53, 55 wurden bereits im RP- Verfahren in Schritt I des erfϊndungs gemäßen Verfahrens gemäß Fig. 1 aufgebaut.

Die Fig. 8 zeigt wiederum eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebaute, hohle Elektrode 1, deren Wandung 43 wie die der Elektrode gemäß Fig. 6 in RP- Technologie schichtweise aufgebaut ist, aber in Ergänzung zu der in Fig. 6 gezeigten Elektrode eine Füllung 70 umfasst. Die Füllung 70 kann zur Versteifung und Stabilisierung der Elektrode 1 dienen. Sie kann aber auch zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Elektrode beitragen. Entsprechend sind die Materialien zu wählen. Grundsätzlich ist anzumerken, dass die Füllung 70 auch bereits beim schichtweise Aufbauen der Wandung 70 gleichzeitig in RP-Technik hergestellt werden kann. Es ist aber auch eine separate Füllung 70 in den Hohlraum möglich.

Fig. 9 zeigt noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode 1. Hier ist in Ergänzung zu der in Fig. 8 gezeigten Elektrode 1 die u.U. aus nicht leitfähigen Schichten aufgebaute Wandung 43 mit zumindest einer leitfähigen Schicht 71, 72 versehen. Es können, wie gezeigt, aber insbesondere auch eine Innen- und Außenschicht 71, 72 aus leitfähigem Material vorhanden sein.

Die Fig. 10a) - 10h) zeigen verschiedene Oberflächenstrukturen, die auf einer Elektrode 1 für ein ECM- Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugbar sind. So können Rillen, Leitrinnen, Erhebungen, speziell strukturierte Oberflächen und Oberflächenabstände oder dergleichen geschaffen werden, die ein Zu- und Abführen von Elektrolyt im ECM- Verfahren verbessern oder mit denen sich besser steuern lässt, wo ein Abtrag am Werkstück erfolgt.

Die Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht eines schichtweise aufgebauten Elektrodenkörpers 1, bei dem seitlich Ausnehmungen 70 vorhanden sind, um wiederum den Abtrag im ECM- Verfahren von Material am Werkstück besser steuern zu können.

In der Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht in einer in Rapid-Prototyping-Schichtbauweise erstellte Gussform 60 gezeigt. In dieser Gussform 60 werden dann durch diesen eines Kunststoffes oder eines Metalls oder Legierung ein Elektrodenkörper 1 erzeugt.

Gleiches gilt auch für den in Fig. 13 dargestellten Elektrodenkörper, der durch Gießen von Sintermetall eine poröse Struktur hat. Auch hier ist wiederum die Form 60 mit einzelnen Schichten 61 in RP-Technik aufgebaut worden.

In der Fig. 14 ist eine Anordnung in einer ECM-Maschine gezeigt, die eine horizontal schwingende erfindungsgemäße Elektrode 1 zeigt. Hier sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Elektrode 1 Werkstücke 21a und 21b angeordnet, die mittels EMC-Technik zu bearbeiten sind. Durch die besonderen Möglichkeiten der erfmdungsgemäßen Herstellung von Elektroden 1 können nunmehr auch verschiedene Bearbeitungen von Werkstücken 21a und 21b gleichzeitig mit einer Elektrode 1 durchgeführt werden. Grundsätzlich ist aber durch das Hin- und Herschwingen der Elektrode 1 eine gleichzeitige Bearbeitung von zwei Werkstücken 21a, 21b möglich. Diese Art der Bearbeitung mehrerer Werkstücke 21a, 21b ist darüber hinaus nicht an Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung gebunden. Es können hierzu auch handelsübliche Elektroden verwendet werden.

Schließlich zeigt die Fig. 15 eine Anordnung, die der in der Fig. 14 ähnelt. Im Gegensatz zu der Anordnung von Fig. 14 sind hier zwei Elektroden Ia und Ib vorhanden, die zwei verschiedene Stellen eines Werkstücks 21 in ECM-Technik bearbeiten. Die Elektroden Ia und Ib können, müssen aber nicht in Schichtbauweise hergestellt sein.