Arten der EDM-Bearbeitung: Leitfaden zur Funkenerosion

In der Zerspanungsindustrie werden Hersteller oft mit Teilen konfrontiert, die für herkömmliche Bearbeitungsverfahren zu robust, zu dünn oder einfach zu komplex sind. Genau hier bewährt sich die Funkenerosion (EDM). Durch den Materialabtrag mit kontrollierten elektrischen Entladungen statt mit Krafteinwirkung ermöglicht diese CNC-Bearbeitungstechnik die Einhaltung enger Toleranzen bei Werkzeugstählen, Hartmetallen, Titan und anderen exotischen Legierungen.

Dieses elektrische Entladungsverfahren kann je nach Bearbeitungsmethode in viele Varianten unterteilt werden. Die am häufigsten verwendeten sind Draht-EDM, Senkerodieren und Bohr-EDM.

Drahterodieren (WEDM)

Funktionsprinzip und Aufbau

Beim Drahterodieren wird ein kontinuierlich zugeführter, elektrisch geladener Draht, typischerweise aus Messing oder beschichtetem Messing, als bewegliche Elektrode verwendet. Der Draht berührt das Werkstück nie. Stattdessen wird ein kontrollierter Abstand eingehalten, während die CNC den Draht entlang einer programmierten Bahn führt. Das Werkstück liegt in deionisiertem Wasser, das als Dielektrikum fungiert und Schmutz effizient ausspült. Obere und untere Drahtführungen ermöglichen das Neigen oder Verjüngen des Drahtes, um schräge Strukturen zu erzeugen.

Der Generator der Maschine moduliert Impulsenergie, -dauer und -frequenz über Schrupp- und Schlichtdurchgänge. Beim Schruppen steht die Geschwindigkeit im Vordergrund, sodass Spielraum für nachfolgende Schlichtdurchgänge bleibt, um Toleranz und Oberflächengüte zu optimieren. Die Vorrichtung ist entscheidend: Eine solide, thermisch stabile Einrichtung, genaue Bezugspunkte und gute Spülwege wirken sich direkt auf Genauigkeit und Durchsatz aus.

Typische Anwendungen und Materialien

Drahterodiermaschinen werden typischerweise für komplizierte Profile eingesetzt: Matrizen, Stempel, Zahnräder, Keilwellenformen, medizinische Komponenten und komplexe 2,5D-Umrisse, die schwer oder gar nicht zu fräsen sind. Sie eignen sich hervorragend für gehärtete Werkzeugstähle (A2, D2, H13), Wolframkarbid, Titan, Inconel und andere Superlegierungen. Typische Anwendungsgebiete sind das Schneiden Druckgussformen aus einem Block, Herstellung von Präzisionseinsätzen, Trennen spröder oder gehärteter Teile ohne Spannungserzeugung und Erstellen dünner Stege oder filigraner Merkmale ohne Verzerrung.

Vorteile und Einschränkungen

• Genauigkeit und Verarbeitung: Bei stabilen Aufbauten ist das Einhalten von ±0,0001–0,0002″ Routine und mit mehreren Schleifdurchgängen sind Oberflächengüten unter 1 μm Ra erreichbar.
• Minimale mechanische Belastung: Keine Schnittkräfte bedeuten, dass dünne Wände und feine Details intakt bleiben. Wärmeeinflusszonen sind klein und die Umformungsschichten dünn.
• Automatisierungsfreundlich: Automatisches Threading, Wiederherstellung bei Drahtbrüchen und integriertes Prüfen unterstützen zuverlässige Läufe ohne Beaufsichtigung, insbesondere bei längeren Profilen.

Einschränkungen: Der Draht muss die Kontur physisch erreichen, d. h. Hinterschnitte oder geschlossene Hohlräume sind nicht möglich. Der Eintritt erfordert ein Startloch, es sei denn, der Startpunkt befindet sich an einer Kante. Hohe Teile erfordern möglicherweise sorgfältige Spülstrategien, um die Stabilität zu erhalten und Drahterosion und -brüche zu minimieren.

Senkerodieren (Senkerodieren/konventionelles EDM)

Elektroden, Werkzeuge und Hohlraumbildung

Beim Senkerodieren, auch Senkerodieren genannt, wird eine geformte Elektrode, typischerweise aus Graphit oder Kupfer, auf einem Stößel montiert. Die Elektrode wird auf die Negativseite der Kavität aufgesetzt und dann servogesteuert in das Werkstück „versenkt“, während eine Funkenentladung das Material erodiert. Kohlenwasserstoffbasiertes Öl ist ein gängiges Dielektrikum. Orbitalbewegungen (kleine programmierte Bewegungen wie Kreis- oder Vektorbahnen) verbessern die Spülung, verbessern die Oberflächengüte und garantieren Endabmessungen ohne Überbrennen der Ecken.

Die Wahl der Elektrode macht einen großen Unterschied: Graphit sorgt für höhere Geschwindigkeit, ist hitzebeständig und eignet sich für größere Hohlräume; Kupfer hält Details gut und ermöglicht feinere Oberflächen. Erfahrene Hersteller setzen oft mehrere Elektroden ein: eine Vorelektrode zum Schleifen, eine Vorfinisherelektrode zur Stabilisierung der Wände und eine Finisherelektrode für enge Toleranzen und Ra.

Anwendungen, Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit

Senkerodieren ist eine beliebte Option für 3D-Formhohlräume, Prägungen, Rippen, tiefe Taschen, Logos und Geometrien, die mit einem geraden Draht nicht erreichbar sind. Toleranzen von ±0,0002–0,001 Zoll sind je nach Größe und Aufbau realistisch, wobei Oberflächengüten unter 1 μm Ra durch Nachbrennen möglich sind. Da die Elektrode die Geometrie vorgibt, sind komplexe Verläufe und Freiformen typisch für Spritzgussformen und Druckgusswerkzeuge.

Vorteile und Einschränkungen

• Echte 3D-Fähigkeit: Seine Hauptstärke liegt in der Erzeugung von Blindhohlräumen, Hinterschneidungen und komplexen dreidimensionalen Formen, die mit Drahterodieren nicht hergestellt werden können.
• Hervorragende Oberflächenbeschaffenheit: Ermöglicht die Herstellung außergewöhnlich feiner Oberflächengüten auf komplizierten Konturen, wodurch manuelles Polieren häufig überflüssig wird.

Einschränkungen: Diese konstante Erosion erfordert eine Verschleißkompensation in der Programmierung und erfordert oft die Herstellung mehrerer Elektroden für einen einzigen Auftrag. Die volumetrische Abtragsrate ist im Allgemeinen geringer als beim Drahterodieren, was es für den großflächigen Materialabtrag weniger effizient macht. Darüber hinaus erfordert jede einzelne Kavität eine eigene Elektrode, und tiefe, schmale Strukturen bereiten oft Schwierigkeiten beim dielektrischen Spülen, was sowohl Geschwindigkeit als auch Genauigkeit beeinträchtigen kann.

EDM-Lochbohren (Schnellloch-/Kleinloch-EDM)

Prozessmechanik

Das Herzstück des Lochbohr-EDM ist eine schnell rotierende Rohrelektrode, typischerweise aus Messing, Kupfer oder verschleißfestem Kupfer-Wolfram. Dieses Hohlrohr fungiert meist als Kathode, das Werkstück als Anode. Ein Generator sendet hochfrequente elektrische Impulse über den Spalt zwischen den Elektroden und erzeugt so eine Reihe kontrollierter Funken, die das Material verdampfen und erodieren.

Entscheidend für den Prozess ist die unter Druck stehende dielektrische Flüssigkeit – in der Regel deionisiertes Wasser –, die durch die Mitte der rotierenden Elektrode gepumpt wird. Diese erfüllt zwei wichtige Funktionen: Sie spült erodierte Partikel kraftvoll aus dem engen Spalt, um Kurzschlüsse zu vermeiden, und deionisiert den Kanal, um eine stabile Funkenbildung aufrechtzuerhalten. Die Rotation der Elektrode sorgt für gleichmäßigen Verschleiß und trägt durch die Stabilisierung des Rohrs zu einem geraderen Loch bei. Ein Servosystem passt die Elektrodenposition kontinuierlich an, um den präzisen Funkenspalt bei zunehmender Lochtiefe aufrechtzuerhalten. So können tiefe Löcher mit kleinem Durchmesser in gehärteten Materialien erzeugt werden, ohne dass es zu einer gefährlichen Werkzeugdurchbiegung bei herkömmlichen Bearbeitungen kommt.

Anwendungsfälle: Start- und Kühllöcher

Hersteller setzen gängige Praxis auf das Erodieren von Startlöchern vor dem Drahterodieren, wenn das Profil abseits einer Kante beginnt. Dies ist auch Standard für kleine Kühllöcher mit hohem Aspektverhältnis in Turbinenschaufeln und -leitschaufeln, Effusions- und Filmkühlungsmustern sowie präzisen Löchern in medizinischen oder mikrofluidischen Komponenten. Nickelbasierte Superlegierungen, Titan und gehärtete Stähle sind geeignete Materialien, sofern sie leitfähig sind.

Geschwindigkeit, Genauigkeit und Einschränkungen

• Geschwindigkeit beim Bohren von Löchern: Das EDM-Bohren ist außergewöhnlich schnell und ermöglicht die Erzeugung kleiner, tiefer Löcher, insbesondere in zähen, leitfähigen Materialien, bei denen konventionelles Bohren langsam oder unmöglich ist. Die Geschwindigkeit wird hauptsächlich durch den dielektrischen Druck, das Elektrodenmaterial und die zu bohrende Legierung bestimmt. Dies ermöglicht schnelle Startlöcher und hohe Durchsatzraten bei der Lochung.
• Genauigkeit im Durchmesser: Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine Positionsgenauigkeit und die Erzeugung gerader Löcher mit hohem Aspektverhältnis und Durchmessern von nur 0,015 Zoll aus.

Einschränkungen: Die Spezialisierung auf Genauigkeit bringt jedoch auch einige Nachteile mit sich. Die Oberflächenbeschaffenheit der Bohrungen ist im Allgemeinen rauer als beim Drahterodieren oder bei Feinbearbeitungen mit Senkerodieren. Darüber hinaus ist das Verfahren auf überwiegend gerade Bohrungen beschränkt und kann keine gebogenen Formen erzeugen. Schließlich kann die intensive lokale Hitze eine Reflow-Schicht und kleine Grate an den Ein- und Austrittspunkten hinterlassen, die bei kritischen Anwendungen eine Nachbearbeitung erforderlich machen können.

Spezialisierte EDM-Maschinen und Hybridprozesse

Pulvermisch-Elektroerosion (PMEDM)

Durch die Suspension von leitfähigen oder halbleitenden Pulvern im Dielektrikum kann diese Technik den Entladungskanal erweitern, die Energiedichte senken und die Oberflächengüte verbessern, während gleichzeitig der Werkzeugverschleiß reduziert wird. PMEDM eignet sich für die Endbearbeitung von Formen oder Komponenten, bei denen die Oberflächenintegrität wichtig ist. Es erfordert Filtration und Prozesskontrolle, um eine konstante Konzentration zu gewährleisten.

EDM-Fräsen/Orbiting für 3D-Formen

Bei diesem Verfahren, auch Ram-EDM-Fräsen genannt, wird eine kleine Elektrode verwendet, die einem dreidimensionalen Werkzeugpfad folgt und um die eigene Achse kreist, um komplexe Formen zu erzeugen, ähnlich wie bei einem Kugelfräser, jedoch ohne Schnittkräfte. Es eignet sich für empfindliche oder schwer erreichbare Details und kann die Anzahl dedizierter Elektroden reduzieren.

Vergleich der Leistung verschiedener EDM-Maschinentypen

Treiber für Schnittgeschwindigkeiten und Zykluszeiten

• Drahterodieren: Hohe Relativgeschwindigkeit bei Umfangsschnitten, insbesondere bei langen Profilen mit konstanter Höhe. Die Zykluszeit hängt von der Teilehöhe, der Konturlänge, der Anzahl der Abstreifvorgänge und dem Spülen ab.
• Senkerodieren: Mittlere Abtragsraten: Elektrodenfläche, Orbitstrategie und Spülantriebszeit. Die Elektrodenherstellung verlängert die Vorlaufzeit.
• Lochbohren: Schnell für kleine, tiefe Löcher: Der Durchsatz hängt von Elektrodenverschleiß, dielektrischem Druck und Legierung ab.

Genauigkeit, Toleranzen und Oberflächengüte (Ra)

• Drahterodieren: Sehr hohe Genauigkeit: ±0,0001–0,0002″ üblich, <1 μm Ra mit mehreren Abstrichen erreichbar.
• Senkerodieren: Hohe Genauigkeit: ±0,0002–0,001″ typisch: <1 μm Ra bei Endverbrennungen mit abgestimmter Energie und Umlaufbahn.
• Lochbohren: Hohe Positionsgenauigkeit für Lochpositionen; die Oberflächenbeschaffenheit ist im Vergleich zu Draht/Senker bescheiden.

Thermische Effekte: Umformschicht, Mikrorisse und WEZ

Bei allen EDM-Prozessen entsteht eine dünne, neu gegossene Schicht mit potenziellen Mikrorissen, obwohl die Wärmeeinflusszone (WEZ) im Allgemeinen flach ist. Dies kann durch energieärmere Endbearbeitungsdurchgänge, optimierte Pulsparameter, richtiges Spülen und Polieren oder leichtes Schleifen nach dem Prozess gemildert werden, wenn die Oberflächenintegrität kritisch ist (z. B. bei ermüdungsanfälligen Luft- und Raumfahrtkomponenten).

Auswahl für Ihre Anforderungen an die Funkenerosion

Nachdem Sie nun die verschiedenen Arten des Erodierens kennengelernt haben, ist es an der Zeit, diese für die spätere Auswahl eines Erodierens zusammenzufassen. Die Auswahlkriterien lassen sich in vier Aspekte unterteilen.

Überlegungen zu Geometrie und Funktionen

• Offene Konturen und Durchgangsprofile: Wählen Sie Drahterodieren. Ideal ist es, wenn der Draht den gesamten Pfad ohne Hinterschneidungen erreichen kann.
• Geschlossene Hohlräume und echte 3D-Formen: Wählen Sie Senkerodieren. Es erzeugt Merkmale, die ein Draht nicht erreichen kann, und überträgt komplexe Geometrien von einer Elektrode.
• Kleine, tiefe, gerade Löcher: Wählen Sie EDM-Bohren. Dies ist der schnellste Weg zu Startlöchern und Kühlfunktionen mit hohem Aspektverhältnis.

Werkstoff, Härte und Wärmebehandlungszustand

Alle Arten der Funkenerosion erfordern Leitfähigkeit, aber die Härte ist kein limitierender Faktor, da sich Funkenerosion hervorragend für wärmebehandelten Werkzeugstahl, Hartmetall, Titan und Nickellegierungen eignet. Wenn die Dimensionsstabilität nach der Wärmebehandlung wichtig ist, eliminiert die Funkenerosion nach dem Härten das Risiko von Verformungen durch Bearbeitungskräfte. Bei Hartmetall oder empfindlichen Materialien sollten Draht oder sorgfältig abgestimmte Senkerparameter bevorzugt werden, um Mikrorisse zu minimieren.

Losgröße, Kosten und Werkzeugökonomie

• Prototypen und Kleinserien: Drahterodieren minimiert den Werkzeugbedarf im Vorfeld und erfordert nur wenige Elektroden, sodass es für Einzelstücke und kleine Auflagen kostengünstig ist.
• Großvolumige Formen oder WiederholungskavitätenSenkerodieren wird wirtschaftlich, wenn Sie die Elektrodenkonstruktion und -herstellung auf viele Teile verteilen. Effiziente Elektrodenstrategien (Schruppen/Schlichten, gemeinsame Geometrien) senken die Gesamtkosten.
• Lochbohrzellen: Bei wiederkehrenden Kühllochmustern sorgt dediziertes EDM-Bohren mit Automatisierung für einen vorhersehbaren Durchsatz.

Automatisierung, Vorrichtungsbau und Prozessüberwachung

Modernes EDM unterstützt die unbeaufsichtigte Fertigung. Automatische Drahteinfädler, Werkzeugwechsler, prozessbegleitendes Messen und Maschinenüberwachung reduzieren Leerlaufzeiten und Ausschuss. Sie sollten folgende Prioritäten setzen:

• Sauberes Dielektrikum und stabile Filterung zur Aufrechterhaltung der Funkenstabilität.
• Starre Vorrichtung mit zuverlässigen Bezugspunkten, um die Wiederholbarkeit über Abstreifer oder Elektroden hinweg sicherzustellen.
• Adaptive Generatoren und Eckensteuerung zum Schutz der Genauigkeit bei engen Innenradien.
• SPC und Protokollierung von Parametersätzen zur Rückverfolgbarkeit bei der geregelten Präzisionsbearbeitung in der Produktion von Teilen für die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrt.

Abschluss

Die Elektroerosion ermöglicht komplizierte Designs durch die Verwendung präziser CNC-Bearbeitung und Überwindung der Materialhärte durch ergänzende Methoden: Drahterodieren für Profile, Senkerodieren für Hohlräume und Bohrerodieren für tiefe Löcher.

Ausgestattet mit dem Wissen aus unseren Artikeln sind Sie in der Lage, fundierte Entscheidungen bei der Wahl des EDM zu treffen, um die Teilequalität und Wettbewerbsfähigkeit in der fortschrittlichen Fertigung zu verbessern!

Häufig gestellte Fragen

Ist EDM nur für Metall geeignet? Kann ich es auch auf weichen, nicht gehärteten Materialien verwenden?

Nicht ganz. EDM ist per Definition ausschließlich für elektrisch leitfähige Materialien geeignet. Isolatoren wie Kunststoffe, Glas und normale Keramik oder Verbundwerkstoffe kommen nicht in Frage. Allerdings sind auch Materialien wie Graphit, Siliziumkarbid, Titandiborid und bestimmte Polymerverbundwerkstoffe elektrisch leitfähig. Obwohl sie eine Nische des EDM darstellen, können sie ebenfalls mit dem spanenden Verfahren bearbeitet werden.

Auch wenn es sich bei den betreffenden weichen Materialien um weiche Metalle wie Aluminium oder Weichstahl handelt, ist EDM durchaus praktikabel, obwohl es üblicherweise bei härteren Materialien eingesetzt wird. Allerdings sind traditionelle Bearbeitungsmethoden oft schneller und kostengünstiger, es sei denn, die Geometrie ist extrem komplex oder filigran.

Wie begrenzt die Teilegröße das EDM?

Jeder EDM-Typ unterliegt inhärenten Größenbeschränkungen. Drahterodieren ist durch seinen Verfahrbereich und die Tankgröße begrenzt. Senkerodieren ist durch die Arbeitstank- und Elektrodenkapazität eingeschränkt. Für sehr große Bauteile wie Schiffspropeller wären spezielle, massive EDM-Maschinen erforderlich.

Was verursacht die Recast-Schicht und ist sie immer ein Problem?

Die Recast-Schicht ist eine dünne, wiederverfestigte Schicht aus Material, das geschmolzen, aber nicht durch die dielektrische Flüssigkeit weggespült wurde. Obwohl sie bei allen EDM-Verfahren entsteht, hängt ihre Bedeutung von der Anwendung ab. Bei vielen Formen und Werkzeugen ist sie entweder belanglos oder kann durch OberflächenbehandlungBei stark beanspruchten und ermüdungsgefährdeten Luft- und Raumfahrtkomponenten ist dies ein kritischer Faktor, der minimiert oder beseitigt werden muss.

Gilt EDM als langsamer Prozess?

Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung ist EDM im Allgemeinen kein Hochgeschwindigkeitsverfahren für den Materialabtrag. Sein Wert liegt in der Fähigkeit zur Präzisionsbearbeitung, nicht in der reinen Geschwindigkeit. Die „effektive“ Geschwindigkeit ist hoch, wenn man bedenkt, dass mehrere Schritte (z. B. Schruppen, Wärmebehandlung, Feinbearbeitung) entfallen und in einer einzigen Aufspannung ein fertiges Teil aus einem gehärteten Rohling hergestellt werden kann.