Arbeitsraum einer EMAG PO 900 BF für die Bliskbearbeitung unter Einsatz der Technologie PECM (precise electro chemical machining).

Arbeitsraum einer EMAG PO 900 BF für die Bliskbearbeitung unter Einsatz der Technologie PECM (precise electro chemical machining). - Bild: EMAG

Die Produktion von Turbinenbauteilen wie BLISK, Einzelschaufel oder Disk ist eine besondere Herausforderung innerhalb der Metallbearbeitung, denn die Komponenten werden aus sehr harten und hitzebeständigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Nickel-Basis- (Inconel) oder hochfesten Titanlegierungen, hergestellt.

Häufig stößt die etablierte spanende Bearbeitung deshalb an wirtschaftliche Grenzen – zum Beispiel, weil mit zunehmender Werkstoffhärte die Standzeit der teuren Fräswerkzeuge sinkt und somit die Produktionskosten zunehmen. Gesucht werden deshalb neue Produktionslösungen, die eine effizientere Bearbeitung sicherstellen. Mit der Elektrochemischen Metallbearbeitung verfügt EMAG ECM mit Sitz in Gaildorf bei Schwäbisch Hall über eine solche Technologie.

Während des Prozesses fließt zwischen dem Werkstück (der positiven Anode) und dem Werkzeug (der negativen Kathode) eine Elektrolytlösung. Dabei lösen sich Metall-Ionen vom Werkstück ab und es entstehen Oberflächen mit maximaler Güte – ohne Gratbildung, ohne Veränderungen im Werkstoffgefüge und mit niedrigem Rauigkeitswerten.

Eine gezielte Weiterentwicklung dieses Ansatzes stellt wiederum die PECM-Technologie dar. Hier ist der Spalt zwischen Werkstück und Werkzeug, durch den die Elektrolytlösung fließt, besonders schmal. Gleichzeitig wird der Vorschub der Elektrolytflüssigkeit durch eine mechanische Oszillationsbewegung überlagert. Beides zusammen sorgt für ein noch effektiveres Abtragen des Werkstoffs.

Weitere Informationen zur ECM-Technologie inkl. Video finden Sie hier.

Präzise Elektrochemische Metallbearbeitung (PECM) von EMAG ECM

Das High-Tech-Verfahren PECM von EMAG ECM bietet einerseits enorme Kostenvorteile für die Komponentenfertigung, andererseits ist die Bearbeitungsgenauigkeit überzeugend.

Lesen Sie dazu auch diesen Blog-Beitrag, bei dem die Wirtschaftlichkeit durch ein Forschungsprojekt der RWTH Aachen bestätigt wurde.

Kathoden-Geometrie im Fokus

Allerdings wird bei dieser Beschreibung auch schnell deutlich, welche Bedeutung die formgebende Kathode für den Prozess hat: Ihre 3-D-Form ist immer so gewählt, dass der Materialabtrag am Werkstück zur gewünschten Bauteilkontur führt.

Dahinter steht eine Bearbeitungsaufgabe im Mikrometerbereich. Für ihre präzise Entwicklung und Konstruktion verfügt EMAG ECM deshalb über einen umfangreichen Entwicklungsbereich mit digitalem Workflow, wie Thomas Gmelin, Leiter der Prozess-Entwicklung bei EMAG ECM, erklärt: „Wir haben in den letzten zwei Jahren intensiv daran gearbeitet, den Prozess rund um die sogenannte Kathodenmodellierung zu perfektionieren. Mit der neuen Software ‚EMAG Tool Designer’ vollzieht sich der Ablauf jetzt komplett softwaregestützt und dabei schneller sowie systematischer.“

Werkzeugbau: effizienter Prozess in drei Schritten:

  • Zunächst erfolgt mithilfe des „EMAG Tool Designers“ eine erste Vorausberechnung (IT0) der Kathode anhand der 3-D-Geometriedaten des Bauteils.

  • Nach der Fertigstellung der Kathode startet ein erster Bearbeitungsprozess in der PECM-Maschine. Anschließend erfolgt eine optische 3-D-Vermessung am fertigen Bauteil. 

  • Die Messergebnisse fließen erneut in den „Tool Designer“ ein. Das Programm errechnet die notwendigen Korrekturen an der Kathode automatisiert.

Mit optimiertem Werkzeug startet der Bearbeitungsprozess dann wieder von vorne – inklusive erneuter Vermessung des Bauteils. Wenn sich keine Abweichungen von der gewünschten Geometrie mehr zeigen, ist der Werkzeugbau abgeschlossen. Die Serienproduktion des Bauteils kann also starten.

„Grundsätzlich muss man in diesem Zusammenhang wissen, dass der Arbeitsspalt in der Maschine, durch den die Elektrolytlösung fließt, eine besondere Herausforderung für die Kathodenentwicklung darstellt“, erklärt Gmelin.

„Einerseits müssen seine Ausmaße in die Berechnung der Kathodenform mit einfließen. Andererseits ist die Spaltweite nicht äquidistant zum Bauteil, sondern auch abhängig von der Arbeitsrichtung und der Orientierung der Bauteiloberfläche. Insofern ist die Berechnung der 3-D-Form der Kathode, die ja letztlich über den Spalt mitbestimmt, eine besonders schwierige Aufgabe. Diesen Prozess haben wir jetzt radikal vereinfacht und systematisiert. Das Programm vollzieht die Berechnung der Kathode automatisiert auf der Basis der Messwerte.“ 

Auch andere Branchen könnten profitieren

Am Ende stellen die Spezialisten ihren Kunden immer ein hochpräzises Werkzeug zur Verfügung – Grundbedingung für genaue Produktionsprozesse während des PECM-Verfahrens. Die neue Software kommt bereits seit Anfang des Jahres intern zum Einsatz.

„Wir können uns für die Zukunft auch vorstellen, den ‚Tool Designer’ direkt den Kunden zur Verfügung zu stellen“, sagt Jochen Laun, Geschäftsführer von EMAG ECM.

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Hochfeste Turbinenbauteile wie BLISK, Einzelschaufel, oder DISK lassen sich mithilfe des PECM-Verfahrens hochgenau und ohne Gratbildung, ohne Veränderungen im Werkstoffgefüge sowie mit niedrigen Rauigkeitswerten bearbeiten. - Bild: EMAG

„Gerade für den Triebwerksbau wäre das sicher interessant. Viele Unternehmen in der Branche möchten ihre Werkzeuge je nach Anforderung selbst entwerfen und so ihr Wissen rund um Geometrie und Werkstoff einer neuen Flugzeug-High-Tech-Komponente schützen.“

Auf der anderen Seite wird die Software und die mit ihr einhergehende Optimierung des PECM-Workflows den Erfolg des Verfahrens im Markt weiter vorantreiben. „Die Digitalisierung des Werkzeug-Entwicklungsprozesses ist für andere Branchen ähnlich interessant“, erklärt Laun dazu abschließend. „Schließlich kommt die PECM-Technologie zum Beispiel auch im Automobilbau zum Einsatz. Wir können jetzt einen noch schnelleren und effektiveren Werkzeugbau garantieren. Angesichts von schnell wechselnden Bauteilgeometrien in vielen Produktionsumgebungen ist das ein entscheidender Zugewinn.“

Ein kleiner Überblick über die Möglichkeiten von ECM wird auch in diesem Film gezeigt: