Die Funkenerosion oder elektroerosive Bearbeitung (EDM), ist ein Verfahren, bei dem ein Werkstück durch die Erzeugung eines Lichtbogens zwischen Werkstück und einer Elektrode geformt wird. Die Funkenerosion gilt als abtragendes Bearbeitungsverfahren und wird hier der spanenden Bearbeitung zugerechnet.
Was ist Funkenerosion?
Die Funkenerosion oder elektroerosive Bearbeitung ist ein abtragendes Verfahren, bei dem Funken präzise gesteuert zwischen der Graphitelektrode (Werkzeug) und dem Werkstück erzeugt werden; der Prozess findet in Gegenwart eines Dielektrikums statt. Und was ist ein Dielektrikum? Dielektrische Flüssigkeiten sind Kohlenwasserstoffprodukte, die hochraffiniert oder synthetisch sind.
Die Funkenerosion ist keineswegs neu: Sie geht auf das achtzehnte Jahrhundert zurück, als man entdeckte, dass elektrische Entladungen eine erosive Wirkung haben. Erst 1943 begannen sowjetische Wissenschaftler, die Funkenerosion als Bearbeitungsverfahren zu nutzen. Das erste Funkenerosionssystem war ein Stromkreis mit einer Folge von Entladungen zwischen zwei Leitern, die voneinander getrennt waren, unter Verwendung einer nichtleitenden Flüssigkeit, des sogenannten Dielektrikums.
Die Funkenerosion lässt sich als Verfahren definieren, bei dem ein Lichtbogen zwischen Werkstück und Elektrode erzeugt wird, wobei ein flüssiges Dielektrikum den Materialabtrag ermöglicht; Werkstück und Elektrode müssen aus leitfähigen Werkstoffen bestehen, damit der Lichtbogen und damit der Materialabtrag entstehen kann.
Anders als bei anderen Bearbeitungsverfahren, bei denen der Span von einem Schneidwerkzeug abgetragen wird, gibt es bei der Funkenerosion keinen direkten Kontakt. Die Elektrode entfernt das überschüssige Material ohne physischen Kontakt mit dem Werkstück. Darin liegt der Hauptvorteil dieses Verfahrens: Es lassen sich Werkstücke mit komplexen Formen bearbeiten, die mit anderen Verfahren nicht möglich wären.
Funktionsprinzip
Die Funkenerosion nutzt thermische Energie. Dank dieser thermischen Energie kann Material durch Wärmeeinwirkung abgetragen werden. Die Wärme entsteht durch Funken, die durch den elektrischen Strom zwischen Elektrode und Werkstück gebildet werden. Damit die Funkenerosion funktioniert, müssen bestimmte Grundprinzipien erfüllt sein.
Der Prozess benötigt eine Stromquelle, die Dauer und Intensität der Entladungen steuert; außerdem ist eine Bewegung der Elektrode erforderlich. Damit sich die abtragenden Funken bilden können, muss die Elektrode einen bestimmten Abstand zum Werkstück einhalten. Dieser Abstand zwischen Werkstück und Elektrode wird als Funkenspalt oder Gap bezeichnet; um ihn aufrechtzuerhalten, ist ein nichtleitendes Dielektrikum erforderlich. Als Dielektrikum können Paraffine, Mineralöle oder deionisiertes Wasser verwendet werden – je nach eingesetzter Maschine.
Wie läuft der Funkenerosionsprozess ab?
Das Dielektrikum wirkt als Isolator, bis die Spannung angelegt wird, die nötig ist, um es in eine leitfähige Flüssigkeit zu verwandeln. Aufgrund der Unebenheiten der Elektroden- und Werkstückoberfläche entsteht ein elektrisches Feld zwischen beiden. Dieses Feld bildet sich an den Stellen, an denen Werkstück und Elektrode einander am nächsten sind, und dort findet die Entladung statt. Wenn sich diese Brücke bildet, beschleunigen die Elektronen und freien Ionen und bilden die sogenannte ionisierte Säule aus Dielektrikum, die den Strom leitet. In diesem Moment entstehen die Funken, durch die die Teilchen kollidieren.
Eine Phase des Funkenerosionsprozesses ist die Bildung einer Gasblase. Dadurch steigt der Druck stetig an, bis eine Plasmazone entsteht. Plasma gilt als vierter Aggregatzustand der Materie und erreicht bei der Funkenerosion Temperaturen zwischen 8.000 und 12.000 Grad Celsius. Dabei kommt es zur Verdampfung eines Teils des Materials an der Oberfläche von Werkstück und Elektrode. Wenn die Gasblase beim Erlöschen des Funkens implodiert, deionisiert das Dielektrikum, und die Temperaturen sinken. Dadurch löst sich das Material und bildet eine Wolke im Dielektrikum. Das unmittelbare Ergebnis ist eine Art Krater auf der erodierten Oberfläche des Werkstücks.
Beim Abkühlen erstarrt die Wolke zu kleinen Partikeln, den sogenannten Erosionsspänen.
Arten der Funkenerosion
Es gibt drei Arten der funkenerosiven Bearbeitung:
- Senkerodieren: Die Elektrode wird im Maschinenkopf am Pluspol einer gepulsten Stromquelle angeschlossen. Das Werkstück wird mit dem Minuspol verbunden, und zwischen Werkstück und Elektrode entsteht ein Spalt.
- Drahterodieren: ähnlich wie das Senkerodieren, doch die Elektrode wird durch einen Verschleißdraht ersetzt, der elektrisch geladen und CNC-gesteuert wird.
- Startlochbohren (Bohrerodieren): ein Vorbereitungsschritt für das Drahterodieren. Dabei entstehen Bohrungen mit kleinem Durchmesser und großer Tiefe.