Ein nahtloser Einblick in die Drahterosion (Wire EDM)

„Aber wie schaffen die es, dass man keine Naht sieht?“ Wir sind keine Zauberer (vielleicht „Metallzauberer“...). Aber wenn wir welche wären, wäre dies unser Zaubertrick:

Abrakadabra … *Drahterodiermaschine einschalten, 3 Tage warten, schleifen und polieren* … und schon sind die Nähte wie weggezaubert!

Siehst du, keine Nähte! (Nicht die Augen zusammenkneifen)

 

Heute möchte ich dir den wunderbaren Prozess vorstellen, der diesen unglaublich coolen Zaubertrick möglich macht: die Drahterosion (Wire EDM). Und um Wire EDM besser zu verstehen, müssen wir uns zuerst EDM als Ganzes ansehen.

Alakazam!

Funkenerosion (EDM) ohne Draht

Ich weiß, was du denkst. Wenn es keine Magie ist, was ist es dann? Funkenerosion, oder, weniger sperrig, EDM, verwendet elektrische Energie anstelle einer mechanischen Kraft, um Material von einem Werkstück zu entfernen.

Okay, und wie macht es das? ... Magie!

Nein, warte bitte. Ich erkläre es. Es gibt zwei Elektroden: das Werkzeugelektrode und das Werkstück. Wenn eine (sehr, sehr) hohe Spannung an diese Elektroden angelegt wird und sie sich nahe genug kommen, entsteht ein Funke. Jedes Mal, wenn der Funke zwischen den Elektroden überspringt, verschwindet ein Teil des Werkstücks auf magische Weise. Taa-daa…

Funken!

Diese Funken entstehen sehr schnell – bis zu Millionen Mal pro Sekunde – und der computergesteuerte Spalt, den sie überspringen, wird als Entladungsspalt bezeichnet. Zur besseren Steuerbarkeit und aus anderen Gründen, die ich bald nennen werde, wird dieser Prozess nicht an der frischen Luft, sondern in dielektrischer Flüssigkeit durchgeführt.

Wie zu erwarten, werden diese Funken sehr heiß. Tatsächlich kann die Temperatur am Entladungspunkt zwischen 8.000 und 12.000 °C erreichen. Das ist heiß genug, um Material zu schmelzen, zu verdampfen und zu erodieren. Da die Funken jedoch sehr lokal begrenzt sind, wird jeweils nur eine geringe Materialmenge abgetragen.

Dielektrische Flüssigkeit für EDM mit drei Funktionen

Die dielektrische Flüssigkeit erfüllt mehrere Aufgaben.

• Sie kühlt das geschmolzene Material schnell ab und lässt es wieder erstarren.
• Sie spült die erodierten Partikel weg.
• Sie wirkt auch als Halbleiter, um den EDM-Prozess zu stabilisieren.

Üblicherweise ist die Flüssigkeit der Wahl entionisiertes Wasser oder ein spezielles Öl.

Dielektrische Flüssigkeit

Als Faustregel gilt: Entionisiertes Wasser wählt man für Drahterosion, komplexe Geometrien und hochpräzise Teile. Und ein spezielles Öl, wenn man Senkerosion (siehe unten) und gehärtete Materialien bearbeitet.

GEFahr... oder nicht?

Da die Erwärmung extrem magisch, Entschuldigung, lokalisiert ist und die dielektrische Flüssigkeit das Werkstück sehr schnell abkühlt, ist die Wärmeeinflusszone (WEZ) klein. Und, normalerweise, beeinträchtigt sie die Wärmebehandlungen des Materials nicht.

Aber Metalle und schnelles Erhitzen und Abkühlen gehen nicht immer Hand in Hand. Obwohl die WEZ klein ist und nicht in dem Maße wie beim Schweißen, kann sie potenzielle Risiken bergen. Außerdem ist es immer noch interessant, das Gesamtbild zu verstehen.

Mein nächster Trick... ein Crashkurs in WEZ.

Schweiß-WEZ

 

Kurz gesagt, schnelles Erhitzen und Abkühlen induziert thermische Spannungen. Thermische Spannungen wiederum verändern die Mikrostruktur eines Metalls, was dann wiederum seine Eigenschaften verändert. Zum Beispiel kann sich bei Stählen Martensit (eine harte und spröde Phase der Mikrostruktur) nahe der Oberfläche bilden. Dies liegt daran, dass der schnelle thermische Zyklus nicht die notwendige Zeit für die Diffusion von Kohlenstoff bietet – und er bleibt eingeschlossen. Infolgedessen akkumulieren Zugspannungen undMikrorisse können entstehen, die möglicherweise zu Materialversagen führen (waaaayy früher als sie sollten).

Denke noch einmal daran, dass die WEZ bei EDM kleiner ist als beim Schweißen. Aber das Prinzip ist dasselbe.

Wähle eine beliebige EDM

Bevor wir uns die Drahterosion ansehen, möchte ich dir einige andere Arten vorstellen. Konventionelles EDM ist, wie wir gerade gesehen haben, hervorragend geeignet, um Material abzutragen – aber nicht so gut für Prozesse wie Schneiden oder Bohren.

Jede Art von EDM folgt dem gleichen Prozess, aber die Form der Werkzeugelektrode ändert sich, sodass sie Material auf unterschiedliche Weise wegzaubern kann.

Senkerosion (oder Senkfunkenerosion)

Hierbei wird eine geformte Elektrode verwendet, die nach dem Eintauchen in eine dielektrische Flüssigkeit Hohlräume oder komplexe Formen bildet. So wie hier:

Beachte die geformte Elektrode

Bohrerodieren

Hierbei wird eine Rohrelektrode verwendet, um kleine, präzise Löcher in ein Werkstück zu bohren. Dies ist besonders üblich, um kleine Löcher in Turbinenschaufeln zu bohren, um komplizierte Kühlkanäle zu erzeugen.

Siehst du die kleinen Löcher?

Nun ist es Zeit für den Allmächtigen. Das solltest du nicht zu Hause versuchen.

Drahterosion: Hinter den Nähten

Das Drahterodieren (WEDM), auch bekannt als Drahtschneid-EDM, folgt einem sehr ähnlichen Prozess. Aber anstatt wie bei konventionellem EDM zu ätzen, schneidet WEDM. (Auch keine Person in einer Kiste)

 

Die Drahterosion verwendet einen dünnen, kontinuierlich zugeführten Metalldraht, um ein Werkstück in komplexe Formen zu schneiden. Der Draht sieht tatsächlich sehr nach einem Käsedraht aus (und bevor du darüber nachdenkst, nein, du solltest wahrscheinlich nicht versuchen, deinen Käse zu Hause per „Drahterosion“ zu schneiden). Hier ist der Metalldraht die Elektrode, und er erodiert zusammen mit dem Werkstück – daher wird er kontinuierlich zugeführt. Um unterschiedliche obere und untere Profile des Werkstücks zu erzeugen, kann der Draht auch angewinkelt werden, um Neigungen zu erzeugen. (Zur Info:Hier gibt es ein tolles Diagramm)

Wie bei den anderen EDM-Typen müssen beide Teile leitfähig sein, damit der Prozess funktioniert. Oft verwenden Maschinenwerkstätten Messing oder (geschichtetes) Kupfer als Draht, wegen ihrer hohen Leitfähigkeit. Aber auch Wolfram-, Molybdän- und Stahlkerndrähte werden verwendet.

Typischerweise hat eine Drahtelektrode einen Durchmesser zwischen 0,1 und 0,3 mm, aber je nachdem, was geschnitten wird und für welche Anwendung das Endprodukt bestimmt ist, können kleinere oder größere Durchmesser verwendet werden.

Hier ist ein toller Überblick über EDM, mit freundlicher Genehmigung von Steve Mould

Haarspalterische Genauigkeit

Die wahre Magie der Drahterosion liegt in der Tatsache, dass man alle Metalle schneiden kann. Für all die schwer zu bearbeitenden Materialien, die traditionelle Schneidwerkzeuge nicht schneiden oder formen können, kann die Drahterosion dies tun.

Das wirft die Frage auf: Können sie gut schneiden? Oder wird der Schnitt wie ein ausgefranster und verbrannter Zauberseil eines gescheiterten Magiers aussehen? Die Antwort ist ein klares Ja... zugunsten eines gut geschnittenen Ergebnisses.

Drahterodiermaschinen können eine Drahtpositionierungsgenauigkeit von ~0,0001 mm erreichen und Teile auf eine Toleranz von 0,002 mm schneiden, obwohl einige Spezialmaschinen sogar noch weiter gehen können. Das ist, als würde man ein Blatt Papier in der Dicke 6 Mal oder ein Haar 5 Mal zerschneiden.

Hokus-Pokus! Oh, warte…

Vorteile des Drahterodierens

Das Drahterodieren ist aus vielen guten Gründen beliebt. Schauen wir uns an, welche das sind.

• Genauigkeit und Präzision. Wie wir gesehen haben, weist das Drahterodieren haargenaue Toleranzen auf, wodurch es sich hervorragend für viele wichtige Anwendungen eignet.

• Geringe Werkstückverformung. Es gibt keine Massenerwärmung, kein Reißen oder Brechen. Tatsächlich gibt es überhaupt keine physische Einwirkung. Daher sind die inneren Spannungen vergleichsweise sehr gering (selbst mit WEZ).

• Komplexe Formen. Sie haben unbegrenzte 2D-Geometrien. Drahterosion ist unendlich manövrierbar und kann keine Kraft falsch anwenden. Derzeit sind 3D-Geometrien begrenzt, aber dank 5-Achsen-Drahterosion verbessern sie sich schnell.

• Funktioniert mit allen Metallen. Sie können mit jedem leitfähigen Material arbeiten. Da die Drahterosion keine Kraft anwendet, haben Härte und Sprödigkeit keinen Einfluss auf die Prozessgeschwindigkeit.

• Prozesseffizienz. Aufgrund der Genauigkeit und der fehlenden Krafteinwirkung weisen Werkstücke keine Grate oder Verformungen auf, was bedeutet, dass sie weniger Nachbearbeitungsschritte benötigen.

• Sicherer Betrieb. Selbst bei hohen Spannungen ist die Drahterosion immer noch sehr sicher und vorhersehbar. (EDM-Maschinen arbeiten oft in der Nachtschicht, weil sie auch etwas langsam sind).

• Keine Vorrichtungen. Sie benötigen keine speziellen Vorrichtungen zum Schneiden und Bearbeiten der Werkstücke. Und diese sind in der Regel ziemlich teuer.

• Fähigkeiten für schwache Materialien. Drahterosion ist nicht nur gut für extrem harte Materialien, sondern auch für schwächere. Da keine Kraft angewendet wird, können Materialien, die normalerweise zu zerbrechlich für die traditionelle Bearbeitung sind, problemlos geschnitten und geformt werden.

• Kleinere Produktionsläufe. Dank der Art des Verfahrens kann WEDM kleine Produktionsläufe ermöglichen.

Aber was ist mit der Kehrseite?

Nachteile des Drahterodierens

Natürlich ist nichts perfekt. Die Drahterosion hat auch ihre Nachteile. Also, Alakazam, hier sind sie:

• Scharfe Ecken. Da der Draht einen winzigen Durchmesser (~0,1 - 0,3 mm) hat, kann er einfach keine scharfen Ecken erzeugen. Natürlich variiert die Drahtgröße, sodass auch der minimale Radius des Werkstücks variiert. Aber scharfe, scharfe Ecken, die traditionelles Schneiden bieten kann, kann die Drahterosion nicht.

• Nur leitfähige Materialien. Das ist kein Problem, wenn man nur Metalle schneidet. Aber es schließt Verbundwerkstoffe, Kunststoffe und alle nichtleitend beschichteten Materialien aus.

• EDM-Maschinen sind in der Anschaffung teuer, die Wartung ist nicht immer günstig, und man muss auch für die Verbrauchsmaterialien (Draht und Dielektrikum) aufkommen.

• Es ist gaaanz laaangsam. Im Vergleich zu vielen herkömmlichen Schneidemaschinen ist die Drahterosion langsam.

• HAZ. Obwohl lokal begrenzt, wird das Werkstück immer noch auf Tausende von Grad erhitzt. Dieser schnelle thermische Zyklus kann sich negativ auf die Materialeigenschaften auswirken.

• Oxidschichten. Bei einigen Materialien, wie Aluminium, können sich Oxidschichten bilden. Dies kann eine sekundäre Reinigung oder zusätzliche Behandlungen erfordern, bevor das Werkstück abgehakt werden kann.

• Rohre sind ein No-Go. Rohre oder Hohlformen sind schwerer zu spannen, was bedeutet, dass sie dann schwerer zu schneiden und zu kühlen sind. Drahterosion ist viel besser für massive Formen geeignet.

• Oberflächenrauheit. Ja, es ist präzise. Ja, es sieht aus wie Magie. Aber das Drahterodieren kann eine gewisse Oberflächenrauheit hinterlassen. Mit zusätzlichen Durchgängen oder weiteren Maßnahmen kann dies jedoch auch vermieden werden.

Anwendungen des Drahterodierens

Drahterosion kann Eisen- und Nichteisenmetalle, lange und schwere Teile sowie kleine und komplizierte Teile schneiden. Es ist also eine sehr verbreitete Methode zum Schneiden und Formen von Metall. Mehrere Branchen nutzen sie, und die wichtigsten sind…

Automobilindustrie

Da der Draht keinen Kontakt herstellt, muss er nicht stärker als das Werkstück sein (wie es bei anderen Schneidverfahren der Fall wäre). Drahterosion eignet sich daher hervorragend für harte Materialien, die dann zur Herstellung von Werkzeugen und Gesenken verwendet werden können. Dieselben Werkzeuge und Gesenke, die Stoßstangen, Armaturenbretter und Autotüren herstellen.

Luft- und Raumfahrt

Dank ihrer Genauigkeit eignet sich die Drahterosion hervorragend zur Herstellung von Teilen mit engen Toleranzen. Und wie wir wissen, hat die Härte auch keinen Einfluss auf den Prozess, daher ist sie oft das bevorzugte Bearbeitungsverfahren für Hersteller von Luft- und Raumfahrtteilen. Zu den häufigsten Teilen gehören Triebwerksinnenteile und Turbinenschaufeln.

Medizin

Dank der haarscharfen Genauigkeit und der Fähigkeit, enge Geometrien zu formen, wird die Drahterosion auch in medizinischen Bereichen eingesetzt, insbesondere in der Augenheilkunde und Zahnmedizin. Da der Drahtdurchmesser die Schnittgröße bestimmt und die Drahtdurchmesser normalerweise sehr klein sind, können WEDM-Maschinen winzige Merkmale für Teile wie Zahnimplantate und Spritzenkomponenten erzeugen. All dies ohne die strukturelle Integrität des Teils zu verzerren oder zu gefährden.

Stressabbau

Und vielleicht das Wichtigste von allem … „Stressabbau“. Drahterosion hilft dabei, magisch aussehende, fingerkrampfende, Neugier weckende Fidget Toys zu erschaffen. Zähle bis drei und sprich die magischen Worte…

1… 2… 3…

„MetMo Würfel“

*Rauchwolke*

Der MetMo Würfel, der aufgrund seiner Beliebtheit jetzt nach dem Wellenprinzip bestellt wird

Liebe, Verlangen und die Kreation von metallschneidendem Käsedraht

Wenn du also immer noch hier bist und noch mehr über Drahterosion wissen möchtest, flüstere die magischen Worte noch einmal. Eigentlich nein, diesmal nicht.

Alles begann mit dem Wissenschaftler, Theologen, Chemiker, Philosophen, politischen Theoretiker (und leider keinem Zauberer), der Sauerstoff entdeckte: Joseph Priestley. Nicht nur sein Zeitmanagement war beeindruckend, sondern auch seine aufgezeichneten Beobachtungen. Denn im Jahr 1770 bemerkte er, dass elektrische Ladungen Material von Elektroden entfernen konnten.

Später, im Jahr 1881, baute Auguste de Méritens auf diesen Beobachtungen auf und begann, Material mittels elektrischer Entladungen beim Lichtbogenschweißen zu übertragen.

Doch erst gegen Ende des Zweiten Weltkriegs, 1943, entdeckten zwei sowjetische Forscher, wie man schwer zu bearbeitende Materialien wie Wolfram präzise und reproduzierbar erodieren konnte. Es waren das Ehepaar Boris und Natalya Lazarenko, die die EDM zum Leben erweckten.

Etwa zur gleichen Zeit entwickelten Jack Beaver, Harold Stark und Victor Harding in den USA eine Funkenerosionsmaschine, um abgebrochene Schrauben und Gewindebohrer aus Aluminiumgussteilen zu entfernen. Dies geschah völlig unabhängig und war ein reiner Zufall.

Aber die US-Maschine konnte mit 60 Entladungen pro Sekunde (gegenüber Millionen heute) Funken erzeugen. Spätere Entwicklungen nutzten Vakuumröhren-Pulserzeugung und erzielten mehrere tausend Funken pro Sekunde, was sie zu einer immer noch langsamen, aber praktikableren Methode der Metallbearbeitung machte.

Drahterodieren, wie wir es heute kennen, kam 1967 auf. Wieder aus der Sowjetunion. Es war eine Art „Lichtbogen-Bandsäge“ oder ein „Käsedraht“, der komplexe 2D-Formen schneiden oder zerlegen konnte.

Der Fortschritt geht weiter. Und in den 80er Jahren wurden EDM-Entladungen immer schneller. Tatsächlich konnten sie nun Material mit Geschwindigkeiten von 64 mm²/min erodieren. Zugegeben, für leicht zu bearbeitende Materialien war es (noch) nicht allzu beliebt, aber für schwer zu bearbeitende Materialien wie gehärteten Stahl und Titan war das Ergebnis das Warten wert (und die kostengünstigste Option).

Seitdem hat sich die Funkenerosion kontinuierlich zu dem entwickelt, was sie heute ist. Und Sie können jetzt 5-achsige Drahterodiermaschinen haben, die komplexe Operationen in einer Reihe von Branchen bewältigen.

Der letzte Schnitt

Voilà! Viel zu viele tragische Zauberwitze später sind Sie jetzt ein Experte für Funkenerosion. Sie wissen, welche Arten es gibt, wie sie funktionieren, was sie tun, wo sie eingesetzt werden und woher sie kommen.

Vielleicht haben Sie sogar eine neue Art gefunden, Ihren Käse zu schneiden.

Aber wie dem auch sei, Sie haben hoffentlich über die Nähte hinausgesehen, um zu erkennen, dass die Nähte die ganze Zeit da waren …

Auch hier gilt: Wenn Sie sehen möchten, was wir mit Drahterodieren alles erreichen können, der MetMo-Würfel ist hier verlinkt. Oder um mehr darüber zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel.

MetMo Cube