Was ist Electrical Discharge Machining?
Die Funkenerosion (EDM) ist ein nicht-traditionelles Verfahren, bei dem Material mithilfe von Wärmeenergie von einem Werkstück abgetragen wird. Ähnlich wie bei Verfahren wie dem Laserschneiden ist beim Erodieren keine mechanische Kraft für den Abtrag erforderlich. Aus diesem Grund gilt es als nicht-traditionelles Verfahren, im Gegensatz zu z.B. der Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen.
Im Werkzeug- und Formenbau ist das Erodieren aufgrund seiner Anwendbarkeit vor allem bei harten Materialien wie Titan oder bei besonders komplexen Formen, die mit dem Fräsen nur schwer zu erreichen sind, sehr beliebt.
Das EDM-Verfahren
Vereinfacht ausgedrückt ist die Funkenerosion ein Fertigungsverfahren, das mithilfe einer Elektrode präzise Material von leitfähigen Werkstoffen abträgt. Ähnlich wie beim Drücken einer Form in weiches Material, hinterlässt die Elektrode einen negativen Abdruck im Werkstück.
Der physikalische Prozess ist ein wenig komplizierter: In einem kleinen Spalt zwischen Werkstück und Elektrode kommt es zu einer Entladung, die durch Schmelzen oder Verdampfen Material abträgt. Für diesen Vorgang müssen Elektrode und Werkstück in eine dielektrische Flüssigkeit getaucht werden.
Das Prinzip dieses Prozesses ist die Fähigkeit kontrollierter elektrischer Funken, Material zu erodieren. Werkstück und Elektrode berühren sich bei diesem Prozess nicht. Dazwischen befindet sich ein Spalt, der etwa so dick wie ein menschliches Haar ist. Die Menge des abgetragenen Materials mit einem einzigen Funken ist gering, dennoch erfolgt die Entladung etwa mehrere 100.000 Mal pro Sekunde.
Während die Elektrode näher an das Werkstück herangeführt wird, nimmt das elektrische Feld in der Lücke, auch Funkenstrecke genannt, zu, bis es das Durchschlagsvolumen erreicht. Für diesen Vorgang ist es notwendig, dass die Flüssigkeit, in der diese Entladung stattfindet, nicht leitend, also dielektrisch ist.
Die Entladung bewirkt eine starke Erwärmung des Materials, wodurch kleine Materialmengen weggeschmolzen werden. Dieses überschüssige Material wird durch den stetigen Fluss der dielektrischen Flüssigkeit entfernt. Die Flüssigkeit ist auch zur Kühlung während der Bearbeitung nützlich. Außerdem ist sie zur Kontrolle der Funken notwendig.
Drei verschiedene Arten
Es gibt drei verschiedene Arten der Funkenerosion: Drahterodieren, Senkerodieren und Lochbohrerodieren
Die oben beschriebene Art wird Senkerodieren genannt. Sie ist auch bekannt als Senkerodieren, Hohlraum-EDM, Volumen-EDM, traditionelles EDM oder Ram-EDM. Mit dem Senkerodieren können Anwender komplexe Formen herstellen. Diese Methode erfordert Elektroden (oft aus Graphit oder Kupfer), die so vorbearbeitet sind, dass sie die erforderliche Form haben. Diese Elektrode wird dann in das Werkstück versenkt, wodurch die negative Version der ursprünglichen Form entsteht.
Die zweite Art der Funkenerosion wird als Drahterodieren bezeichnet und ist auch als Drahterodieren, Drahtbrennen oder Funkenerodieren bekannt. Beim Drahterodieren wird ein dünner Draht zum Schneiden des Werkstücks verwendet. In diesem Fall arbeitet der Draht als Elektrode.
Während der Bearbeitung kommt der Draht ständig von einer automatischen Zuführung mit einer Spule. Wenn der Schnitt nicht an der Außenseite des Werkstücks, sondern in der Mitte erfolgen soll, wird mit dem Funkenerodieren ein Loch in das Werkstück gebohrt, durch das der Draht anschließend eingefädelt wird. Der Draht wird mit Diamantführungen gehalten. Die Flüssigkeit ist meist deionisiertes Wasser. Der Draht wird oft aus Messing oder Kupfer hergestellt.
Die letzte Art der Funkenerosion wird als Lochbohr-Erodieren bezeichnet. Wie der Name schon sagt, wird dieses Verfahren zum Bohren von Löchern verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Bohrverfahren ist EDM in der Lage, extrem kleine und tiefe Löcher zu bearbeiten. Außerdem müssen EDM-gebohrte Löcher nicht entgratet werden. Die Elektroden sind bei diesem Verfahren rohrförmig und das Dielektrikum wird durch die Elektrode selbst geleitet.
Generell kann jedes leitfähige Material mit der Funkenerosion bearbeitet werden. Zu den gängigen Materialien gehören Metalle oder Metalllegierungen wie gehärteter Stahl, Titan und Verbundwerkstoffe.
Typischerweise bestehen die Elektroden für das Senkerodieren aus Kupfer oder Graphit. Die wichtigsten Faktoren, die die Entscheidung für ein Elektrodenmaterial beeinflussen, sind die Leitfähigkeit der Elektrode und ihre Erosionsbeständigkeit. Graphit hat den Vorteil, dass es leichter zu bearbeiten ist als Kupfer. Kupfer ist jedoch hoch leitfähig und fest. Messing, eine Legierung aus Kupfer und Zink, wird häufig für Drahterodier- oder kleine Rohrelektroden verwendet.
Im Gegensatz zu Elektroden für das Senkerodieren muss der beim Drahterodieren verwendete Draht keine guten Widerstandseigenschaften aufweisen, da beim Schneiden ständig neuer Draht zugeführt wird.
Wann der Einsatz von EDM sinnvoll ist …
Der Hauptvorteil der Funkenerosion ist, dass sie auf jedem Material angewendet werden kann, solange es leitfähig ist. So ist es möglich, Werkstücke aus Wolframkarbid oder Titan zu bearbeiten, die mit herkömmlichen Schneidverfahren nur schwer zu bearbeiten sind. Ein weiterer Vorteil der Funkenerosion ist die fehlende mechanische Krafteinwirkung auf das Werkstück. Zerbrechliche Konturen lassen sich leichter herstellen, da keine hohe Schneidkraft zum Abtragen des Materials erforderlich ist.
Die Funkenerosion ermöglicht auch Formen und Tiefen, die mit einem Schneidwerkzeug nicht zu erreichen sind. Besonders tiefe Bearbeitungen, bei denen das Verhältnis von Werkzeuglänge zu Durchmesser sehr hoch wäre, sind eine übliche Anwendung für EDM.
Scharfe Innenecken, tiefe Rippen und schmale Nuten sind weitere Spezialitäten der Funkenerosion. Ein weiteres Argument für den Einsatz der Funkenerosion ist, dass die Oberflächengüte in der Regel besser ist als bei herkömmlichen Verfahren. Die Funkenerosion erzeugt Oberflächen mit einem feinen Finish und hoher Präzision.
Darüber hinaus ermöglicht die Funkenerosion die Bearbeitung von gehärteten Werkstücken. Während andere Bearbeitungsverfahren ausgeführt werden müssen, bevor das Werkstück durch Wärmebehandlung gehärtet wird, kann die Funkenerosion auch auf das gehärtete Material angewendet werden. Auf diese Weise kann eine mögliche Verformung durch die Wärmebehandlungsbearbeitung vermieden werden.
… und wann nicht
Die Funkenerosion ist eine hochpräzise Bearbeitungsmethode. Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung ist die Funkenerosion eine eher langsame Methode. Hochvolumige Aufgaben sind daher für diese Methode nicht geeignet. Gleichzeitig erfordert der elektrothermische Prozess einen hohen Stromverbrauch.
Ähnlich wie bei traditionellen Zerspanungsmethoden ist die Werkzeugstandzeit beim Erodieren nicht endlos. Auch beim Senkerodieren ist die Elektrode anfällig für Erosion. Aufgrund des Werkzeugverschleißes muss die Elektrode regelmäßig ausgetauscht werden.
Beim Senkerodieren ist es außerdem notwendig, die richtig geformten Elektroden herzustellen, bevor das Werkstück bearbeitet werden kann. Dies ist ein zusätzlicher Schritt im Vergleich zu Bearbeitungsprozessen mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen.
EDM und Sicherheit?
Wie sicher ist Erodieren? Dies ist tatsächlich eine Frage, die viele Techniker beunruhigt, die zum ersten Mal mit EDM in Berührung kommen. Der Bedarf an Hochspannung und die immer wieder auftretenden Funken lassen es für unerfahrene Arbeiter wie ein Sicherheitsrisiko erscheinen. Solange die Maschine jedoch gemäß den Herstellerangaben verwendet wird, besteht keine große Gefahr.
EDM-Maschinen und Automatisierung
Es gibt zahlreiche Anbieter von EDM-Maschinen. Zu den bekanntesten Herstellern gehören Mitsubishi Electric, OPS Ingersoll, Makino, Excetek, Sodick, GF Machining Solutions und Ona.
Ein aktueller Trend ist die Automatisierung des EDM-Prozesses. Dazu gehört nicht nur das Funken- oder Drahterodieren selbst, sondern auch die Bearbeitung der Elektroden. Durch den Einsatz von CNC-Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung der Elektroden, Erodiermaschinen, Reinigungs- und Messstationen und – last but not least – Lagerflächen und Robotereinheiten zur Handhabung der Elektroden kann der Erodierprozess automatisch ausgeführt werden. So wird sichergestellt, dass ein Abfunkgerät immer schnell genug mit Elektroden versorgt wird.
Die Bearbeitung dieser Elektroden und der Erodierprozess können so programmiert werden, dass sie über Nacht stattfinden, wodurch die Produktionsprozesse wesentlich zeitsparender werden. Zusätzlich kann eine höhere Stückzahl ohne zusätzliche Arbeitskräfte bearbeitet werden.
Mehrere Prozesse können gleichzeitig ablaufen, darunter Erodieren, Messen, Fräsen, Lasergravieren und Reinigen. Unternehmen, die Automatisierung in ihre Produktionsprozesse implementiert haben, konnten eine erhebliche Zeitersparnis und eine Umsatzsteigerung verzeichnen.
Anwendungen der Funkenerosion
Erfunden in den 1940er Jahren, ist EDM ein sehr frühes, nicht-traditionelles Verfahren. In Kombination mit numerischen Computersteuerungen (CNC) hat es sich zu einer genauen und zuverlässigen Bearbeitungsmethode entwickelt, die heute zum Standard unter den konventionelleren Schneidverfahren gehört. Es ist besonders beliebt für Kleinserien wie z.B. Prototypen.
Mit der Funkenerosion sind verschiedene Prozesse möglich, darunter Drehen, Fräsen, Schleifen und Bohren kleiner Löcher. Neben dem Werkzeug- und Formenbau wird die Funkenerosion typischerweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt, zum Beispiel bei der Produktion von Flugzeugtriebwerken.
Autor: Peter Yordanov
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