MicroPoly (elektrochemisches Entgraten und Polieren) (pdf)

MicroPoly ECD-ECP
Vorteile des elektrolytischen Präzisionsentgrat-
und Polierprozesses
Beschreibung der MICROPOLY-Methode
1. Allgemeines
Die Basis des MICROPOLY ECD-ECP Verfahrens bildet ein Prozess, welcher
ein patentiertes Elektrolyt, einen elektrischen Schaltkreis, einen Kühler für eine
konstante Temperatur des Elektrolyts und eine Steuerung zur Überprüfunger
verschiedenen Parameter verwendet. Die elektrolytische Entgratungsmethode
MICROPOLY entfernt Metall von elektrisch geladenen Bauteilen auf eine
einzigartige Weise. Die Reichweite hängt dabei von der elektrischen Spannung
auf der Oberfläche ab. Außerdem sind die Leistungen des Elektrolyts, Metall zu
entfernen, auch andere Faktoren eine Rolle, wie die Ionen-Zusammensetzung
des Elektrolyts, seine Stromleitfähigkeit und seine Dichte. Sie wurden als
Basiswerte der Zusammensetzung des patentierten Elektrolyts berücksichtigt.
Grate, scharfe Kanten und andere geometrische Unregelmäßigkeiten haben eine
höhere elektrische Ladung als regelmäßige Flächen eines elektrischen
geladenen Bauteiles. Dieses physische Grundprinzip bildet die Grundlage des Entgratungsprozesses
von MICROPOLY: Grate habe eine höhere elektrische Ladung als das umgebende Material.
Kurz gefasst lässt sich die MICROPOLY Methode so beschreiben: Hierbei werden Stellen zuerst
angegriffen, die eine höhere Ladung als das Bauteil insgesamt haben, wodurch Grate entfernt
werden.
Hauptbestandteil des Elektrolyts bildet Monoethylenglykol, das den Widerstand des Elektrolyts
ansteigen lässt und gleichzeitig die Geschwindigkeit der Ionenbewegungen auf 2–3 m/s senkt. Zum
Vergleich: In herkömmlichem leitendem Elektrolyt ohne Glykol können die Ionen Geschwindigkeiten
von bis zu 100 m/s aufweisen.
Außerdem hängt die Geschwindigkeit der Ionen von der Temperatur des
Elektrolyts ab. Je höher die Temperatur ist, desto schneller können sich die Ionen
bewegen. Aufgrund des quadratischen Anstieges der Leistung zur Geschwindigkeit
wird deutlich, um wie viel geringer die potenzielle Energie im Verhältnis zur
Leistung des Elektrolyts als in anderen, herkömmlichen Elektrolyten ist. Dieses ist
äußerst wichtig, denn da die Ladung des zu entgratenden Bauteiles sehr
unterschiedlich ist, wählen die Ionen erst sehr spät ihre Bahn, sodass eine große
Anzahl von Ionen den höher geladenen Grat angreift. Jedes einzelne Ion tauscht
an dem Punkt des Bauteiles Elektronen aus, der eine höhere Ladung aufweist als
die umgebende Fläche. Das Ergebnis jedes Elektronenaustausches ist, dass ein
Hydroxide gebildet wird, welches aus dem Elektrolyt getrennt wird.
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Mit anderen Worten: Metall, das von einer höher geladenen Fläche entfernt worden ist, bildet im
Elektrolyt einen Schlamm.
Wie beschrieben handelt es sich bei diesem Schlamm um das Hydroxide des entfernten Metalls. Die
Hydroxide-Ionen vereinen sich mit den Metallionen, und da das Hydroxide nicht im Elektrolyt lösbar
ist, wird die chemische Reaktion bei Bildung der Hydroxide unterbrochen.
Deswegen ist es notwendig, dem Elektrolyt permanent Wasser hinzuzugeben, da sich dieses teilweise
mit dem Schlamm verbindet. Normalerweise geschieht dieses, indem der – hygroskopische –
Elektrolyt Luftfeuchtigkeit aufnimmt.
Das Absorptionsvermögen des Elektrolyts hängt von der Lufttemperatur und der
relativen Luftfeuchtigkeit ab. Die Zusammensetzung des Elektrolyts ergibt eine
ausreichende Wasserzufuhr bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 10–45 %.Wenn
die relative Luftfeuchtigkeit über eine längere Zeitdauer hinweg mehr als 45 %
betragen sollte, kann es erforderlich sein, Wasser aus dem Elektrolyt zu entfernen,
da bei zu großem Wassergehalt die Stromleitfähigkeit zu groß wird, was aufgrund
einer damit zu schnellen Ionen-Bewegung zu einer verschlechterten
Entgratungsleistung führen würde.
Wenn allerdings die relative Luftfeuchtigkeit über eine längere Zeitdauer hinweg weniger als 10 %
betragen sollte, kann es erforderlich sein, wegen der ansonsten zu niedrigen Stromleitfähigkeit
Wasser hinzuzugeben. Bei zu geringer Stromleitfähigkeit werden die Ionen zu langsam, was zu einer
verlängerten Prozessdauer führen würde, auch wenn die selektive Ionen-Bewegung zu den Graten
hin etwas anstiege. Normalerweise beträgt der Wassergehalt des Elektrolyts ca. 15 Vol.-%. Da
einerseits mehr Ionen zur Verfügung stehen als Wasser, das Ionen tragen könnte (Glykol trägt keine
Ionen), ist die Stromleitfähigkeit des Elektrolyts ein gutes Maß für seinen Wassergehalt. Da
andererseits die Stromleitfähigkeit abhängig von der Temperatur des Elektrolyts ist, muss die
Stromleitfähigkeit stets bei derselben Temperatur verglichen werden, um den Wassergehalt des
Elektrolyts zu bestimmen.
2.Anwendungen
Die MICROPOLY-Methode lässt sich zum Entgraten und Polieren
verschiedener Materialien einsetzen. Dieses muss jedoch
elektrisch leitend sein, weswegen sich nicht leitende Materialien
wie Kunststoff, Gummi, Glas und Keramik nicht bearbeiten lassen.
Auch ist der Prozess nicht auf Silizium oder auf Kohle anwendbar,
auch wenn diese Materialien als leitend gelten, da die zur Bildung
eines Hydroxides erforderliche Energie weit über den Nennwert
der Methode liegt.
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Silizium- und stark kohlenhaltige Materialien lassen sich dennoch bearbeiten, führen jedoch zu einer
rauen Oberfläche, da beim Entfernen des metallischen Materials Silizium bzw. Kohle freigelegt
werden. Außerdem kann es zu Oxidausfällungen kommen, wodurch sich die Oberfläche grau bis
schwarz färbt.
Bei bestimmten leitenden Materialien bilden sich Oxide, die den Entgratungsvorgang unterbrechen.
Dazu gehören unter anderem Tantal, Niob, Wolfram und Platin.
Titan lässt sich bearbeiten, doch ist eine sehr hohe Spannung erforderlich; zudem wird die Oberfläche
aufgrund der Materialstruktur rau.
Silber und Materialien auf Kupferbasis – Messing, Kupfer, Bronze und andere – erfordern einen
besonderen Elektrolyten, welches kein Ammoniumchlorid enthalten darf, da dieses solche Metalle
korrodiert und den Prozess unsteuerbar macht.
Die MICROPOLY-Methode lässt sich für die meisten rostfreien Materialien auch zum Polieren
einsetzen. Ferrit wird vom Material entfernt, und die verbleibende Oberfläche wird von Chrom und
Nickel dominiert. Das Ergebnis entspricht dem des elektrischen Polierens. Außerdem wird die
Oberfläche passiviert. Das Ergebnis sind ein besserer Korrosionsschutz sowie eine blanke, entgratete
und polierte Oberfläche. Außerdem wird die Oberflächenfeinheit der Bauteile (RA-Wert) deutlich
erhöht.
3.Prozessanwendung.
Die Anwendung der MICROPOLY-Methode beruht mehr auf Praxiswissen und
Erfahrung als auf purer Wissenschaft, da es nahezu unmöglich ist, die
elektrischen Felder während eines Prozesses zu quantifizieren. Da die
Bewegung der Ionen vom Fluss des Elektrolyts um das Bauteil abhängt, ist es
außerdem notwendig, durch Versuche die jeweiligen Lösungsmöglichkeiten
herauszufinden und somit Erfahrungen für zukünftige Anwendungen des
Prozesses zu sammeln.
Um die Leistung des Prozesses optimieren zu können, ist es wichtig zu
verstehen, welche Auswirkungen die einzelnen Veränderungen in den Abläufen
haben. Die MICROPOLY-Methode erlaubt ein breites Spektrum von Variationen der
Prozessparameter. Die Variablen haben mitunter Einfluss aufeinander, weswegen es teilweise
notwendig ist, sich einem guten Ergebnis durch systematische und lineare Versuche anzunähern. Es
ist nicht nötig, alle Einzelheiten des chemischen Ablaufes zu verstehen, doch ein allgemeines
technisches Verständnis erleichtert es, die Wirkungen der MICROPOLY-Methode zu verstehen.
Beim Einsatz der MICROPOLY-Methodein einem konkreten Fall sind die Steuerung des elektrischen
Feldes und der Ionen die entscheidenden Faktoren.
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Das elektrische Feld wird durch die Spannung und die Platzierung der Katoden bestimmt. Die
Bewegung der Ionen wird unter anderem durch die Temperatur des Elektrolyts, seinen Fluss und
seine Stromleitfähigkeit beeinflusst. Die Form des Bauteiles bestimmt, welche Spannung erforderlich
ist, um in dem Prozess ein gutes Ergebnis zu erzielen.
Um ein gutes Ergebnis beim Entgraten zu erzielen, ist Folgendes zu bestimmen:
Einstellung der Prozessparameter
Einstellung von Strom und Prozessdauer
Überprüfung der Temperatur
Überprüfung der Stromleitfähigkeit
Überprüfung der Wiederhol-Genauigkeit, um den Prozess sicherzustellen.
3.1 Definition von “Grat”
Es gibt keine feststehende Definition weder für “Grat” noch für
“entgratet”.
Die meisten Unternehmen definieren “gratfrei” als den Zustand, in dem
es kein lose sitzendes Material und keine Kanten mehr gibt. Bei anderen
bedeutet es, dass mit bloßem Auge nichts erkennbar ist.
Mitunter heißt es auch bloß, dass es keine Kanten gibt, die im nächsten
Verarbeitungsschritt zu Problemen führen. Oder eine gebrochene Kante
gilt als Grat oder bei der Oberflächenbehandlung eine aufgebaute Kante.
Dieser Überblick zeigt, dass die Definitionen von “Grat” so zahlreich sind
wie die Herstellungsverfahren in der modernen Industrie.
3.2 Unsere Definition von “Grat”
Als Grat definieren wir bei MicroPoly Metall, das aus der Geometrie eines Bauteiles als Kante auftritt
und im Laufe des Herstellungsprozesses entstanden ist. Metall, das nach dem Herstellungsprozess
als Rest übrig bleibt, wie zum Beispiel beim Gießen oder als Span nach dem Bohren, wird nicht als
Grat angesehen. Material, das anschwillt oder abgehoben wird durch einen stumpfen Bohrer, wird
ebenfalls nicht als Grat angesehen.
Ein Grat, der bei der Herstellung entstanden ist – zum Beispiel auf der Ausgangsseite beim Bohren
oder beim Fräsen oder Schneiden von Material –, bei dem es sich also um eine eine normale
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Veränderung der Materialgeometrie im Rahmen des Herstellungsprozesses handelt, wird von
MicroPoly als Grat angesehen.
3.3 Unsere Definition von “gratfrei”
Da “gratfrei” im Großen und Ganzen eine subjektive Einschätzung ist, kann ein Bauteil nicht allgemein
als gratfrei definiert werden. Wenn Bauteile bei der Überprüfung mit 10-, 40-, 100 oder 400facher
Vergrößerung betrachtet werden, wird immer unregelmäßiges Material zu finden sein: Vertiefungen,
Erhebungen, scharfe Kanten, loses Material usw. All das wird unter der Bezeichnung Grate
subsumiert. Die Definition von “gratfrei” ist also abhängig von der Funktion des Bauteiles und vom
Überprüfungsverfahren. Außerdem gibt es verschiedene Beurteilungsweisen, inwieweit sich ein Grat
auf die Funktion eines Bauteiles auswirkt.
“Gratfrei” ist gemäß der MicroPoly Definition ein Bauteil, bei dem alles lose Material entfernt wurde
und die Funktion des Bauteils erfüllt wird.
3.4 Anforderung der MICROPOLY-Methode ans Entgraten
o Grate können je nach ihrer Größe eine Höhe von 0,2 bis 1 mm haben.
o Grate müssen hinsichtlich Größe, Form und Plazierung ähnlich beschaffen sein
o Grate dürfen nicht verbogen oder deformiert sein, da sich das negativ auf den Prozess
auswirkt.
Vorstehende Bedingungen bilden die Anforderung dafür, dass das Entgraten in
einer vorgegebenen Zeit erfolgen kann, ohne dass Metall der umgebenden
Oberfläche entfernt wird, da die Metallentfernung mit Hilfe der MICROPOLY-
Methode direkt von aufgewendeter Zeit und verwendetem Strom abhängig ist.
Die Entfernung größerer Grate erfordert mehr Strom oder dauert länger. Dabei
ist zu beachten, dass alle Materialien bei hohen Spannungen Widerstand
aufweisen, was zu einer Oberflächenbeeinträchtigung der Bauteile führen
kann.
Deswegen ist die zuführbare Strommenge für die Bauteile begrenzt, wodurch sich die jeweilige
Prozessdauer bestimmt. Wichtig ist schließlich für die Entgratungsleistung die Platzierung der Katode
hinsichtlich der Größe, Platzierung und Form der Grate.
3.5 Bestimmung von Entgratungsgeschwindigkeit und Strom
Die Geschwindigkeit der Ionen-Bewegung hängt von der Zeit ab, die das Bauteil dem unter Strom
gesetzten Elektrolyt ausgesetzt ist.
Zeitdauer und Strom verhalten sich proportional zur Menge entfernten Metalls.
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So wird zum Beispiel bei einer Ionen-Bewegungs-Geschwindigkeit von 0,6 m/min ein Strom von 100 A
festgelegt, um ein gutes Entgratungsergebnis zu erzielen. Wenn durch Erhöhung der Spannung die
Geschwindigkeit der Ionen-Bewegung auf 1,2 m/min gesetzt wird, erhält die Stromstärke einen Wert
von 200 A. Außerdem lassen sich die Katoden näher an das Bauteil setzen. Egal wie, so wird die
Menge entfernten Metalls dieselbe sein.
3.6 Bestimmung der Spannung
Das Ergebnis der Spannungseinstellung ist direkt nach Prozess Ende erkennbar.
So kann ein Bauteil aus rostfreiem Material sowohl weiße Flecken als auch
schwarze Oxidbildungen aufweisen, wenn die Spannung nicht richtig eingestellt
war. Die Normaleinstellung für rostfreies Material beträgt 18–30 V. Die Spannung
muss so eingestellt werden, dass das beste Ergebnis erzielt wird. Zur
Regulierung des Stromes müssen die Katoden bewegt werden – weiter
auseinander für geringeren Strom, näher zusammen für erhöhten Strom.
3.7 Bestimmung der richtigen Betriebstemperatur
Welche Auswirkungen eine Änderung der Elektrolyttemperatur hat, zeigt sich ebenfalls nach Prozess
Ende. Bei niedrigeren Temperaturen muss sich die Katode näher am Grat befinden, um die
gewünschte Wirkung zu erzielen. Allgemein gesagt sollte immer die höchstmögliche Temperatur für
einen Prozess gewählt werden. Normalwerte sind 0–5 °C für rostfreien und 12–20 °C für normalen
Stahl.
4. Wartung
4.1 Allgemeines zu Elektrolyten
Der bei der MICROPOLY-Methode verwendete Elektrolyt ist sicher und sehr leistungsfähig. Er ist
neutral und sein pH-Wert beträgt 5,8–6,8.Der Elektrolyt ist ungefährlich bei der Handhabung, doch
werden Schutzhandschuhe und Schutzbrille empfohlen, da es Glykol und Salze enthält, welche die
Haut bei Kontakt austrocknen. Außerdem muss darauf hingewiesen werden, dass es lebensgefährlich
ist, den Elektrolyten zu verschlucken oder anderweitig zu verzehren, da es Glykol enthält, das schon
in äußerst kleinen Mengen die Nieren angreift. Bereits eine verzehrte Menge von ca. 100 ml ist
tödlich.
Da der Elektrolyt stark konzentrierte Salze enthält, verhält er sich gegenüber den meisten Materialien
korrosiv. Deshalb werden alle Materialien, mit denen der Elektrolyt in Kontakt gerät, schnell
korrodieren (rosten).Deshalb müssen Maschine und Werkzeuge aus rostfreiem Material oder
Kunststoff angefertigt sein. Falls aus bestimmten Gründen weder rostfreies Material noch Kunststoff
als Konstruktionsmaterial verwendet werden kann, kann auch oberflächenbehandelter Stahl
eingesetzt werden, zum Beispiel mit Epoxidharz- oder Rilsan Beschichtung.
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Metall, das sich zwar in der Nähe des Elektrolyts, jedoch nicht in direktem Kontakt mit diesem
befindet, wird nicht beeinträchtigt. Die Salze des Elektrolyts verdunsten nicht und befinden sich nicht
dampfförmig in der Luft.
Entgratete Bauteile werden aufgrund des Prozesses hinterher auf der Oberfläche chemisch rein sein.
Für eine kurze Zeit nach dem Prozess schützt der Elektrolyt das Bauteil gegen Korrosion, doch es
wird sofort rosten, wenn es mit Feuchtigkeit in Berührung kommt. Deshalb ist es wichtig, dass
Bauteile, die mit Hilfe der MICROPOLY-Methode entgratet wurden, möglichst umgehend mit einer
Waschflüssigkeit gewaschen und gespült werden, bei Bedarf kann Rostschutzmittel beigemengt
werden.
4.2 pH-Wert des Elektrolyts
Der pH-Wert gibt die Säure einer Flüssigkeit an. Je niedriger der pH-Wert, desto saurer ist die
Flüssigkeit; Nach dem Motto: je höher, desto alkalischer.
Der normale pH-Wert des MicroPoly Elektrolyts während des Prozesses ist 5,8–6,8.Bei einem pH-
Wert von mehr als 6,8 nehmen die Polarisierungseigenschaften des Elektrolyts ab, außerdem tritt ein
starker Ammoniakgeruch auf. Bei einem pH-Wert von weniger als 5,8 funktioniert der Prozess
weiterhin wie normal. Der pH-Wert darf jedoch nicht allzu lange zu niedrig (oder zu hoch) sein, weil
anderenfalls der Elektrolyt zerstört wird. Während des Prozesses bilden sich alkalische Hydroxide.
Deswegen steigt der pH-Wert des Elektrolyts während des Prozesses sukzessive an. Zum Ausgleich
des pH-Wertes des Elektrolyts wird Salpetersäure verwendet, die ihm zugegeben wird, wenn sich der
pH-Wert 6,8 annähert. Die Dosierung erfolgt Mithilfe einer gewöhnlichen Dosimeterpumpe, die auf die
Elektrolytmenge eingestellt wird, wie sie sich im Tank der Maschine befindet.
4.3 Stromleitfähigkeit des Elektrolyts
Die Stromleitfähigkeit des Elektrolyts wird üblicherweise in mS (Millisiemens) gemessen.
Normalerweise arbeitet der Elektrolyt bei einer Konduktivität von 30 ± 5 mS (bei einer Temperatur von
20 °C).Es ist wichtig, die Konduktivität stets bei derselben Temperatur zu messen, da sie bei
steigender Temperatur ebenfalls steigt. Außerdem verhält sich die Konduktivität proportional zu der
im Elektrolyt enthaltenen Menge Wasser.
Wenn der Wassergehalt steigt, steigt automatisch die Geschwindigkeit des Ionen-Flusses, womit sich
die Prozesseigenschaften verändern.
Ein zu großer Wassergehalt lässt sich leicht dadurch regulieren, dass die Temperatur des Elektrolyts
für ein paar Stunden auf ca. 70 °C erhöht wird. Dadurch wird das Wasser verdampft und der Elektrolyt
wird wieder auf die richtige Konduktivität eingestellt.
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