Werkzeug- und Formenbau Funkenerosion mit additiv gefertigten WC-Co-Elektroden

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Forscher schöpfen das Potenzial der additiven Fertigung zur Herstellung von Werkzeugelektroden aus Wolframkarbid-Kobalt für das funkenerosive Senken jetzt mit Blick auf die Industrie weiter aus.

Die zunehmende Komplexität von Bauteilen und die kontinuierlichen Entwicklungen im Werkzeug- und Formenbau erfordern eine ständige Weiterentwicklung von Fertigungsverfahren wie der Funkenerosion (englisch: Electrical Discharge Machining = EDM). Dies erfolgt beispielsweise durch die Entwicklung neuartiger Prozessketten zur Herstellung komplexer Werkzeugelektroden. Die additive Fertigung (englisch Additive Manufacturing = AM) ermöglicht die Herstellung komplexer Werkzeugelektroden-Geometrien mit innenliegenden Spülkanälen für EDM-Prozesse mit wenigen Einschränkungen hinsichtlich des Designs. Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) stellt einen geeigneten Werkstoff für EDM Werkzeugelektroden dar, der eine hohe thermische und mechanische Stabilität aufweist und zudem additiv verarbeitet werden kann. Dieser Artikel zeigt erste Untersuchungsergebnisse zum Einsatz von additiv gefertigten WC-Co-Werkzeugelektroden bei der Senkerosion. Beteiligt sind das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der technischen Universität Berlin und das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK.

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Additive Probenherstellung und Analyse der Eigenschaften

Frühere Studien ([1], [2] und [3]) zum AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion von WC-Co-Werkstoff zeigten einen Einfluss der Energiedichte E_v auf den Kobaltgehalt C_Co der gefertigten Proben. In der vorliegenden Untersuchung wurden Werkzeugelektroden, per AM-Prozess mit vorgewärmter Bearbeitungskammer und WC-Co 83/17 (als Pulverwerkstoff) gefertigt und diese hinsichtlich ihres Einflusses auf den EDM-Prozess analysiert.

Durch die Variation der Energiedichte in einem Bereich 300 J/mm³ ≤ E_v ≤ 900 J/mm³ in vier Stufen wurden der Kobaltgehalt C_Co und die damit verbundenen Werkstoffeigenschaften der Bauteile wie relative Dichte ρ_rel und die elektrische Leitfähigkeit κ beeinflusst. Für jede Energiedichte E_v wurden zwei Proben gefertigt und entsprechend analysiert. Um die Eignung für das Senkerodieren zu bewerten, wurden weitere Versuche mit additiv gefertigten Werkzeugelektroden durchgeführt. Die Proben wurden durch die Bestimmung der Abtragrate V_W und des relativen Werkzeugverschleißes ϑ_rel für die jeweiligen Erodierversuche bewertet.

Darüber hinaus wurden numerische Simulationen durchgeführt, um die Innenspülung der Werkzeugelektroden zur Verbesserung des Abtragverhaltens zu untersuchen. Um die maximale Strömungsgeschwindigkeit v und den Volumenstrom V im Arbeitsspalt zu bestimmen, wurden drei verschiedene Spülkanalgeometrien untersucht. Die Untersuchungen wurden für unterschiedliche Spülkanal-Querschnittsflächen in einem Bereich von 0,196 mm² < A_c < 0,785 mm² und unterschiedliche Eingangsdrücke in einem Bereich von 2 bar ≤ p_in ≤ 40 bar durchgeführt.

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