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Werkzeugelektroden sollen eine möglichst hohe Dichte und eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben

Die Ergebnisse zeigten, dass für AM-Prozesse mit einer Energiedichte von E_v = 500 J/mm³ die höchste relativen Dichte mit ρ_rel = 87 % erreicht werden konnte. Eine ausreichend hohe relative Dichte ist nämlich für die mechanische Festigkeit σ_m der Werkzeugelektroden für den Einsatz beim Senkerodieren erforderlich, damit sie hohen Spüldrücken p_S widerstehen kann. Die Ergebnisse der experimentellen Versuche sind in Bild 3 dargestellt. Die Proben, welche mit einer Energiedichte von E_v = 900 J/mm³ hergestellt wurden, waren aufgrund ihrer geringen relativen Dichte ρ_rel nicht für den funkenerosiven Senkprozess geeignet.

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Die Messung des Kobaltgehaltes C_Co zeigte die höchsten Werte bei Energiedichten von E_v = 300 J/mm³. Aufgrund des Messaufbaus zeigte sich ein Offset für die Werte des Kobaltgehalts. Für Kobaltgehalte von C_Co > 17 % kann außerdem geschlussfolgert werden, dass kein Kobalt während des AM-Prozesses verdampft wurde. Ein hoher Kobaltgehalt kann unter Umständen die elektrische Leitfähigkeit κ der Werkzeugelektrode erhöhen, was sich positiv auf den EDM-Prozess auswirkt. Dies konnte bei den Senkerodierversuchen bestätigt werden. Dort war die Abtragrate mit V̇ _w = 5,53 mm³/min bei einer Energiedichte von E_v = 300 J/mm³ am höchsten.

Die Analyse des relativen Werkzeugverschleißes ϑ_rel ergab, dass die mit einer Energiedichte von E_v = 700 J/mm³ hergestellten Proben dem höchsten relativen Werkzeugverschleiß unterworfen waren, der bei 10,2 % lag. Dies kann auf entstandene poröse Strukturen durch den additiven Fertigungsprozess zurückgeführt werden. Additiv gefertigte Proben mit einer Energiedichte von E_v = 300 J/mm³ und E_v = 500 J/mm³ zeigten einen etwas geringeren Verschleiß mit ϑ_rel = 9,6 %. Daraus folgt, dass Energiedichten zwischen 300 und 500 J/mm³ am besten für die additive Fertigung von EDM-Elektroden geeignet sind. Dieser Bereich wird deshalb in Zukunft weiter untersucht werden.

Rechteckgeometrie verbessert Spüleffekt im Arbeitsspalt

Zusätzlich wurde bei der Untersuchung der inneren Spülkanäle der Werkzeugelektroden ein numerisches Modell entwickelt, um die Studien zeit- und ressourcensparend durchführen zu können. Untersucht wurden runde, rechteckige und kleeblattförmige Spülkanalquerschnitte für verschiedene Eingangsdrücke p_in und Spülkanal-Querschnittsflächen A_c. Bei der Analyse der Strömungsgeschwindigkeit v im seitlichen Arbeitsspalt zeigte eine kleeblattförmige Geometrie bei jedem Eingangsdruck p_in und jeder Spülkanal-Querschnittsfläche die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten.

Weitere Untersuchungen wurden im Bereich des frontalen Arbeitsspaltes durchgeführt. Hier treten die meisten Funkenentladungen während des EDM-Prozesses auf und es kommt zu störenden Partikelablagerungen. Aus diesem Grund ist eine effektive Spülung in diesem Bereich für einen stabilen EDM-Prozess notwendig. Bild 4 zeigt die Ergebnisse der numerischen Modellierung.

Die Analyse der Strömungsgeschwindigkeit v und der Wirbelviskosität ν_t zeigte, dass eine rechteckige Geometrie als Spülkanalquerschnitt zu den höchsten Werten für beide Parameter führt. Eine visuelle Darstellung von Stahlpartikeln im frontalen Arbeitsspalt während der Spülung bestätigte, dass die höhere Strömungsgeschwindigkeit und die Wirbelviskosität im Spülkanal der rechteckigen Geometrie zu einem deutlich erhöhten Transport von Abtragpartikeln führt. Es ist wahrscheinlich, dass eine Spülkanalgeometrie, die zu einer erhöhten Turbulenz im Arbeitsspalt führt, insgesamt einen besseren Spülungseffekt während des EDM-Prozesses gewährleistet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die rechteckige Kanalstruktur für die Innenspülung am besten geeignet ist, auch wenn sie geringere Strömungsgeschwindigkeiten v_c im seitlichen Arbeitsspalt aufweist als die Vergleichsgeometrien. Mit den gewonnenen Ergebnissen wurden geeignete Parameter für die additive Fertigung von Werkzeugelektroden aus WC-Co für den Einsatz in EDM-Prozessen gefunden. Zukünftig kann somit das Potenzial von komplexeren inneren Spülkanäle aufgrund dieser Erkenntnisse ausgeschöpft werden. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung zeigten bereits positive Tendenzen zu Verbesserung der Spülung des Arbeitsspaltes auf.

Literatur

[1] Uhlmann E, Bergmann A, Bolz R, Gridin W. Application of Additive Manufactured Tungsten Carbide Tool Electrodes in EDM. Procedia CIRP. 2018; 68: 86 – 90.

[2] Uhlmann E, Polte J, Bolz R, Yabroudi S, Streckenbach J, Bergmann A. Application of additive manufactured tungsten carbide-cobalt electrodes with interior flushing channels in S-EDM. Procedia CIRP. 2020, 95: 460 – 465.

[3] Polte J, Neuwald T, Gordei A, Kersting R, Uhlmann E. Effects on part density for a highly productive manufacturing of WC-Co via Laser Powder Bed Fusion. Proceedings euspen, International Conference & Exhibition. 2021, 21.

* Alle Autoren forschen am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der technischen Universität Berlin. Eckart Uhlmann und Mitchel Polte außerdem am Fraunhofer IPK in Berlin.

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