Strömungscharakterisierung im Arbeitsspalt beim magnetfeldüberlagerten elektrochemischen Abtragen

Abstract

Kurzfassung Elektrochemisches Abtragen weist ein großes Potential auf, den steigenden Bauteilanforderungen hinsichtlich Komplexität und Effizienz und den damit verbundenen Herausforderungen an die genutzten Fertigungsverfahren gerecht zu werden. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen, dass die Überlagerung der Bearbeitungszone mit einem Magnetfeld einen positiven Einfluss auf den Abtragprozess haben kann und so bestehende Verfahrensgrenzen erweitert werden können. Um ein tieferes Verständnis über die zugrundeliegenden Wirkmechanismen hinter dieser bisher eher weniger betrachteten Einflussgröße zu erhalten, sollen die Auswirkungen der Magnetfeldüberlagerung auf die vorherrschenden Prozesse beim elektrochemischen Abtragen, auf verschiedenen Längenskalen untersucht werden. Dazu wurden in dieser Arbeit optische Untersuchungen mittels stereo Particle Image Velocimetry in einer auf die Millimeter-Größenordnung hochskalierten Analysezelle durchgeführt, um die resultierende Elektrolytströmung zu charakterisieren. Diese Zelle erlaubt in situ Messungen direkt im Arbeitsspalt zwischen Kathode (Werkzeug) und Anode (Werkstück) bei laufender Bearbeitung. In der vorliegenden Arbeit wurden dabei erste Untersuchungen mit parallel zueinander ausgerichteten planen Elektroden durchgeführt. Es wurde ein signifikanter Einfluss der elektromagnetischen Felder auf die auftretenden mittleren Strömungsgeschwindigkeiten und die zugrundeliegenden Geschwindigkeitsfelder nachgewiesen. Hierbei ist vor allem die Ausbildung einer starken Wirbelströmungsstruktur innerhalb des Arbeitsspaltes hervorzuheben. Diese Struktur kann im Wesentlichen auf die wirkende Lorentzkraft zurückgeführt werden. In anschließenden Arbeiten sind Folgemessungen mit Parametervariationen und verschiedenen Elektrodengeometrien auf unterschiedlichen Längenskalen geplant, um den Einfluss der einzelnen Prozessgrößen auf das elektrochemische Abtragen bestmöglich zu untersuchen. Diese experimentellen Ergebnisse werden dann zur Validierung zukünftiger magnetohydrodynamischer Simulationsmodelle verwendet. Diese sollen perspektivisch als Schnittstelle zwischen der Mikro- und Millimeter-Größenordnung dienen, da mit abnehmendem Arbeitsspalt die optische Zugänglichkeit zur experimentelle Strömungscharakterisierung zunehmend eingeschränkt wird.