Dipl.-Ing. Thomas Gmelin

Inhalt:

- ECMTEC- Technologievarianten- Potenzial- Grenzen- Bearbeitungsstrategie- Maschine & Beispiele

Mai 2011

Elektrochemisches Fräsen -eine neuartige Mikrobearbeitungstechnologie

Werkzeugmaschine

Awarded 2008 with the Euromold Award

Tischgerät

Soderanlagen

Produkte & Services:

Betrieb eines Applikationslabors für Bemusterungen

Entwicklung & Vertrieb von Anlagentechnik

ECM = Electrochemical Machining

Werkzeugelektrode

Werkstückelektrode

Elektrolytspülung

+ Prozessenergiequelle-

Verfahrensmerkmale der ECM – Technik

- Thermisch neutraler Prozeß

- Kein Werkzeugverschleiß

- Keine Gratbildung

- Berührungsloser Abtrag

- Parallelisierbar

Warum Elektrochemie, warum ECM ?

Werkzeugelektrode

Werkstückelektrode

Elektrolytspülung

+ Prozessenergiequelle-

Problemstellung ECM:

Wie groß ist der Arbeitsspalt?

?

Wie genau läßt er sich steuern?

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

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

mit vergleichbaren Werkzeugtypen...

... aber mit skalierbarerWerkzeugdimension

Die voreinstellbare Spaltbreite ermöglicht eine Werkzeugführung analog der des konventionellen

Fräsens …

„Elektrochemisches Fräsen“

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).

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

2. „Elektrochemisches Senken“ - Fertigbearbeitung mikromechanischer Bauteile

1. Fertigung von Werkzeugen mit standardisierten

Werkzeugen

2. Serienfertigung von Mikrobauteilen

durch elektrochemisches

Senken

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

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

Restmaterial der Vorbearbeitung

(rot)

Sollkontur (grün)

Beispiel: Nachbearbeitung eines Formeinsatzes

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

Ergebnis der HSC- und ECF-Bearbeitung

HSCECF

• Material: Nickel• Steghöhe: 100 µm• Reduktion des Innenradius von 0,1 mm auf ~0,015mm

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“

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

Bearbeitungsbeispiel:Kanal in 1.4441

Breite: 25 µm

Tiefe: 100 µm

Aspektverh.: 4

ECF Bearbeitung von Bohrungen

Material: 1.4034Kugeldurchmesser: 700µmDurchgangsloch: 60µmAspektverhältnis: > 11

- frei von Bearbeitungsgrat- kein thermischer Stress

0.7mm

60µm

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

Bearbeitungsbeispiel Medizintechnik:Teil einer Mikrozange (7C27Mo2)

Rohling

Bearbeitungsbeispiel:Mikrofluidikstruktur (1.4441)

Breite: 25 µm

Tiefe: 100 µm

Aspektverh.: 4

Bearbeitung von Wolfram:

Material: WBearbeitungstiefe: ~ 500 µm

Contact:

ECMTEC GmbH

Dipl.-Ing. Thomas Gmelin

Robert-Bosch-Str. 3

71088 Holzgerlingen

Tel.: +49 (0)7031 / 866520

info@ecmtec.com

Thank you for your attention

Vergleich Oberfläche ECF – EDM

Erodierte Struktur

200µm

Elektrochemisch gefräste

Struktur

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

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)

Standardisierte CAD/CAM

Programme werden genutzt

Bearbeitungsstrecke