Lektion 6.7TrennenKapitel 6 · Trennen und nichtkonventionelle Bearbeitung

Elektrochemisches Abtragen (ECM)

Elektrolyse löst Metall in der Form des Werkzeugs auf

Das elektrochemische Abtragen (ECM) trägt Metall ab, indem es mit elektrischem Strom und Salzwasser Atom für Atom aufgelöst wird. Es funktioniert wie Galvanisieren rückwärts: Das geformte Werkzeug berührt das Teil nie, verschleißt nie und hinterlässt keine Hitzeschäden oder Grate. Triebwerkshersteller formen damit Schaufeln aus zähen Nickellegierungen.

Foto: Alkanchik, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

Elektrochemisches Abtragen · die ECM-Zelle und ein Detail des SpaltsDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; der Streifen unten vergrößert den Spalt unter der Werkzeugspitze.

So funktioniert es

Den Stromkreis verdrahten. Ein Gleichstromnetzgerät macht das Werkstück zur Anode (Plusseite) und das geformte Werkzeug zur Kathode (Minusseite). Es arbeitet mit niedriger Spannung, meist 5–25 V, aber tausenden Ampere.
Den Spalt schließen. Das Werkzeug, meist aus Kupfer, Messing oder Edelstahl, wird bis auf wenige zehntel Millimeter an das Teil herangeführt. Beide berühren sich nie.
Den Elektrolyten pumpen. Ein Elektrolyt (eine Flüssigkeit, die Strom leitet), meist Natriumchlorid oder Natriumnitrat in Wasser, wird schnell durch das Werkzeug und über den Spalt gepumpt.
Das Metall auflösen. Strom fließt durch den Elektrolyten, und Atome an der Werkstückoberfläche gehen als Metallionen (elektrisch geladene Atome) in Lösung. Am Werkzeug bilden sich Wasserstoffbläschen, das Werkzeug verschleißt nie.
Vorschub und Abbild. Das Werkzeug rückt stetig vor. Das Metall löst sich dort am schnellsten, wo der Spalt am engsten ist, sodass Erhebungen verschwinden und das Teil die Form des Werkzeugs spiegelverkehrt annimmt.
Spülen und filtern. Der Strom trägt das aufgelöste Metall als Schlamm (Metallhydroxid) sowie Gas und Wärme fort. Der Elektrolyt wird gefiltert, gekühlt und wiederverwendet.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Jedes elektrisch leitfähige Metall, besonders schwer zerspanbare Legierungen: Nickelsuperlegierungen, Titan, Kobaltlegierungen, gehärteter Stahl. Die Härte spielt keine Rolle.
Typische Teile: Turbinenschaufeln und Blisks (einteilige beschaufelte Scheiben), Züge in Waffenläufen, tiefe Kühlbohrungen, Entgraten innerer Querbohrungen in Ventil- und Injektorgehäusen
Bauteilgröße: Von Querbohrungen mit etwa einem Millimeter Breite bis zu Triebwerksteilen von mehreren hundert Millimetern Durchmesser
Präzision: Meist etwa ±0,05 mm; gepulstes ECM (PECM) kann etwa ±0,01 mm halten
Oberfläche: Glatt und oft glänzend, ohne Grate, Risse oder hitzegeschädigte Schicht; Rauheit Ra (mittlere Höhe der Oberflächenerhebungen) meist 0,1–2 µm, mit PECM nahezu spiegelnd
Geeignete Losgröße: Mittlere bis hohe Stückzahlen hochwertiger Teile: Das Werkzeug verschleißt nicht, aber seine Entwicklung braucht Versuch und Irrtum
Werkzeug- und Maschinenkosten: Hoch: Maschinen oft mehrere hunderttausend Dollar oder mehr, dazu Sonderwerkzeuge und eine große Elektrolytaufbereitung
Geschwindigkeit: Durch den Strom bestimmt: grob 2 cm³ Stahl pro Minute und 1.000 A aufgelöst; das Werkzeug rückt meist einen Bruchteil eines Millimeters bis einige Millimeter pro Minute vor

Stärken und Grenzen

Stärken

Kein Werkzeugverschleiß: Ein Werkzeug kann tausende Teile fertigen
Bearbeitet jedes Metall, egal wie hart, ohne Hitzeschaden
Keine Schnittkraft und keine Grate; glatte, spannungsfreie Oberflächen
Schnell bei komplexen 3D-Formen in zähen Legierungen

Grenzen

Funktioniert nur bei elektrisch leitfähigen Metallen
Teure Maschinen und langsame Werkzeugentwicklung durch Versuch und Irrtum
Scharfe Innenecken und feine Details sind schwierig: Der Spalt rundet sie ab
Große Mengen Elektrolyt und Metallschlamm, die gefiltert und sicher entsorgt werden müssen

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtTurbinenschaufeln und Blisks aus Nickel- und Titanlegierungen; Kühlbohrungen
VerteidigungZüge (spiralförmige Nuten) im Inneren von Waffenläufen
AutomobilbauEntgraten von Querbohrungen in Einspritzdüsen, Ventilgehäusen und Getriebeteilen
EnergieerzeugungSchaufeln für Gas- und Dampfturbinen
WerkzeugbauGesenkgravuren in gehärtetem Stahl

So erkennen Sie es

Glatte, oft glänzende oder seidenmatte Oberflächen ohne Werkzeugspuren, ohne Grate und ohne Hitzeverfärbung.
Kanten und Innenecken leicht gerundet, nie messerscharf.
Komplexe gekrümmte Formen, etwa Schaufelprofile, in sehr harten Legierungen ohne sichtbare Bearbeitungslinien.
Querbohrungen im Inneren eines Teils mit sauber gerundeten, gratfreien Kanten.

Im Vergleich mit

Senkerodieren6.6kopiert ebenfalls ein geformtes Werkzeug in hartes Metall, schmilzt es aber mit Funken; langsamer, die Elektrode verschleißt, und eine dünne Schmelzschicht bleibt zurück.Galvanisieren11.5dieselbe Chemie rückwärts: Das Teil ist die Kathode, und Metall wird abgeschieden statt abgetragen.Chemisches Abtragen6.8löst ebenfalls Metall auf, aber mit einem Ätzbad und Masken statt mit elektrischem Strom und einem geformten Werkzeug.

Ansehen

Piyush Singh · Eine animierte Tour durch den Stromkreis, den Spalt und die Strömung

MTDCNC · Echte ECM-Maschinen und fertige Teile aus der Nähe

EMAG · Wie industrielle ECM- und PECM-Maschinen funktionieren

CamcraftInc · ECM in einer Produktionswerkstatt bei der Fertigung von Präzisionsteilen

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Elektrochemisches Abtragen — Prinzipdiagramm, Geschichte und Anwendungen
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

ECM löst Metall mit Strom und Salzwasser auf; das Werkzeug berührt das Teil nie und verschleißt nie.
Das Teil kopiert das Werkzeug, weil sich das Metall dort am schnellsten löst, wo der Spalt am engsten ist.
Es eignet sich für zähe Legierungen und hohe Stückzahlen; achten Sie auf glatte, gratfreie Oberflächen und sanft gerundete Kanten.