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Dipl.-Ing. Thomas Gmelin
Inhalt:
- ECMTEC- Technologievarianten- Potenzial- Grenzen- Bearbeitungsstrategie- Maschine & Beispiele
Mai 2011
Elektrochemisches Fräsen -eine neuartige Mikrobearbeitungstechnologie
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Werkzeugmaschine
Awarded 2008 with the Euromold Award
Tischgerät
Soderanlagen
Produkte & Services:
Betrieb eines Applikationslabors für Bemusterungen
Entwicklung & Vertrieb von Anlagentechnik
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ECM = Electrochemical Machining
Werkzeugelektrode
Werkstückelektrode
Elektrolytspülung
+ Prozessenergiequelle-
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Verfahrensmerkmale der ECM – Technik
- Thermisch neutraler Prozeß
- Kein Werkzeugverschleiß
- Keine Gratbildung
- Berührungsloser Abtrag
- Parallelisierbar
Warum Elektrochemie, warum ECM ?
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Werkzeugelektrode
Werkstückelektrode
Elektrolytspülung
+ Prozessenergiequelle-
Problemstellung ECM:
Wie groß ist der Arbeitsspalt?
?
Wie genau läßt er sich steuern?
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U
t
(t)
U (t)
UDL
CDLR
X
yz
Werkstück
Tool
Elektrolyt
R
CDL
U
UDL
Ersatzschaltbild
R = ElektrolytwiderstandCDL=Kapazität der
Doppelschicht
d
R = ƒ(Spaltbreite d)
C ~ konst.
Elektrochemisches Fräsen mit ultrakurzen Spannungspulsen(ECF)
Scharf begrenzte Lokalisierung des Abtrags durch kurze Spannungspulse
UDL
t
=R *CDL
Ureak
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www.ecmtec.com
Spal
twei
te in
µm
Pulsweite in ns
Voreinstellbare Spaltbreite durch ultrakurze Pulse
RSpalt
Tool
Werkstück
Werkzeugweg
-> Keine Werkzeugisolation wird benötigt
-> kleine Werkzeuge können genutzt werden
-> hohe Aspektverhältnisse sind möglich
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mit vergleichbaren Werkzeugtypen...
... aber mit skalierbarerWerkzeugdimension
Die voreinstellbare Spaltbreite ermöglicht eine Werkzeugführung analog der des konventionellen
Fräsens …
„Elektrochemisches Fräsen“
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Potential
~ 600 nm
~ 370 nm
Quelle:
M. Kock, V. Kirchner, and R. Schuster, "Electrochemical micromachining with ultrashort voltage pulses -a versatile method with lithographical precision,“ Electrochim. Acta (2002).
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Einschränkungen
- Jeder Werkstoff erfordert einen angepaßten Elektrolyten
- Oberflächenqualität und Bearbeitbarkeit ist abhängig von der
Zusammensetzung der Legierung und der Gefügehomogenität
- Die Vorschubrate beträgt (5-60µm/min) und nimmt mit zunehmender
Auflösung ab
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2. „Elektrochemisches Senken“ - Fertigbearbeitung mikromechanischer Bauteile
1. Fertigung von Werkzeugen mit standardisierten
Werkzeugen
2. Serienfertigung von Mikrobauteilen
durch elektrochemisches
Senken
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Grenzen beim ECF-Senken
Der erforderlich kurze, aber hohe Stromimpuls zur Umladung der elektrochemischen Doppelschicht wird begrenzt durch die parasitäre Induktivität der Zuleitungen
Die Größe der aktiven Elektrodenfläche ist begrenzt beiultrakurzen Impulsen
Technologiestand ECF-Senken heute: Entwicklungslastig für große Flächen
R
CDL
U
UDL
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Strategie der Nach- oder Endbearbeitungvorgefertigter Bauelemente
• Nutzung bestehender Fertigungsverfahren soweit möglich
• Umspannen des Bauteils in die ECF-Anlage
• Definition der Einmesspunkte und erstellen der CAM-Daten auf Basis bestehender CAD-Daten
• Einmessen des Bauteils direkt mit dem für die Folgebearbeitungerforderlichen Werkzeug
• Nachbearbeitung/Endbearbeitung kritischer Strukturbereiche
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Restmaterial der Vorbearbeitung
(rot)
Sollkontur (grün)
Beispiel: Nachbearbeitung eines Formeinsatzes
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Einmessen einer vorgefrästen Struktur
1
2
3
45 6
7 8
9
Video
9 Einmesspunkte:
1-8 = Messpunkte zur Erfassungder Position in X/Y-Ebenesowie der Rotation
9 = Antastung der Z-Ebene
Schema
xy
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Ergebnis der HSC- und ECF-Bearbeitung
HSCECF
• Material: Nickel• Steghöhe: 100 µm• Reduktion des Innenradius von 0,1 mm auf ~0,015mm
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C-Achse mit Messsystem zur Werkzeugnullpunkt-erfassung am Spannfutter
Justierbare Arbeitsplattform:
Justierung erfolgt manuell. Vorgaben werden gemessen und berechnet
Säureschrankabschließbar integriert, mit Sicherheitswanne und Entlüftungs-anschluss
Anlagentechnik „micro production“
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Tool
WerkstückBohrung
47µm
Vorgehen:
1. Schruppen: Bohren mit 150-200 ns Pulsweite
2. Schlichten: Fräsen mit 30 ns Pulsweite
v~10µm/s
V<=1µm/s
ECF Bearbeitung – Schruppen und Schlichten, eine Frage der Pulsweite
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Bearbeitungsbeispiel:Kanal in 1.4441
Breite: 25 µm
Tiefe: 100 µm
Aspektverh.: 4
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ECF Bearbeitung von Bohrungen
Material: 1.4034Kugeldurchmesser: 700µmDurchgangsloch: 60µmAspektverhältnis: > 11
- frei von Bearbeitungsgrat- kein thermischer Stress
0.7mm
60µm
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0,34 mm
Material: 1.4301Tiefe: ~ 250 µmPitch: 85 µmTube Ø: 600µm
Bearbeitung von Kanülen (Tubes):
0,6 mm0,2 mm
Material: 1.4301Bearbeitungstiefe: ~ 50 µmTube Ø: 600µm
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Bearbeitungsbeispiel Medizintechnik:Teil einer Mikrozange (7C27Mo2)
Rohling
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Bearbeitungsbeispiel:Mikrofluidikstruktur (1.4441)
Breite: 25 µm
Tiefe: 100 µm
Aspektverh.: 4
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Bearbeitung von Wolfram:
Material: WBearbeitungstiefe: ~ 500 µm
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Contact:
ECMTEC GmbH
Dipl.-Ing. Thomas Gmelin
Robert-Bosch-Str. 3
71088 Holzgerlingen
Tel.: +49 (0)7031 / 866520
Thank you for your attention
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Vergleich Oberfläche ECF – EDM
Erodierte Struktur
200µm
Elektrochemisch gefräste
Struktur
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U
Stro
m I
AktiverBereich
PassiverBereich
TranspassiverBereich
PECM
ECF
Prozessenergiequelle stellt den Strom für den Abtrag bereit
Pulsdauer im µs- bis ms
Bereich
Spaltweite kann nur begrenzt verringert
werden (Kontamination)
Abtragrate ergibt sich durch die
Stromdichteverteilung im Elektrolyten
Spaltweite wird durch gezielte Umladung der Doppelschicht
eingestellt
Pulsdauer im ps- bis µs
Bereich
Abtragrate wird lokal durch Doppelschicht und Ladungsmenge
bestimmt.
Prozessenergiequelle stellt den Strom für die Umladung bereit
Strompulse verbessern
Kühlung und Spaltkontamination
Vergleich von ECF und (P)ECM
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Lokale Abtragsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Stromdichteverteilung
-> Spaltweite ist Funktion der Zeit-> Partielle Werkzeugisolation erforderlich-> Prozessenergiequelle stellt Strom für
den Abtrag bereit
Direkte Steuerung der lokalen Abtragsgeschwindigkeit
-> Steuerbare Spaltweite-> Keine Werkzeugisolation erforderlich-> Prozessenergiequelle stellt Strom
für die Umladung bereit
Abgrenzung
Konventionelle ECM/PECM ECF (ECMTEC)
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Standardisierte CAD/CAM
Programme werden genutzt
Bearbeitungsstrecke