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Das elektroerosive Bearbeiten (EDM) ist ein berührungsloses Fertigungsverfahren, bei dem gewünschte Form durch elektrische Entladungen erzeugt wird.ieure greifen häufig auf EDM zurück, wenn herkömmliche Bearungsmethoden an ihre Grenzen stoßen.
Seit Beginn Industriellen Revolution haben unsere Fertigungsmöglichkeiten die Gestaltung unserer Produkte begrenzt. Das Erste, das wir nach – und manchmal sogar während – der Produktentwicklung überprüfen, ist, ob das gewählte Fertigungsverfahren unseren gewünschten Spezifikationen entspricht.
Das elektroerosive Bearbeiten ändert dies grundlegend. Im Gegensatz zu Verfahren wie Gießen, Umformen oder anderen konventionellen Bearbeitungsprozessen ermöglicht EDM ein sehr hohes Maß an Präzision durch digitale Steuerung.
In Artikel beleuchten wir das EDM-Verfahren und seine verschiedenen Arten. Außerdem diskutieren wir die jeweiligen Vorteile und Einschränk. Lesen Sie weiter, um ein tieferes Verständnis der unterschiedlichen EDM-Prozesse zu erhalten und herauszufinden, für Ihre Anforderungen am besten geeignet ist.
Daserosive Bearbeiten ist ein wärmebasiertes abtragendes Fertigungsverfahren. Es wandelt elektrische Entladungen in thermische Energie um, die überschüssiges Material am Werkstück schmilzt oder verdampft.
Der Prozess nutzt diese kontrollierte Erosion, um gewünschte Schnitte und Formen aus Rohmaterialien zu erzeugen. Aufgrund der verwendeten elektrischen Entladung wird Verfahren auch als Funkenerodieren bezeichnet.
Da der Prozess auf der Leitfähigkeit des Materials basiert, eignet er sich ausschließlich für Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit. EDM liefert äußerst zuverlässige und präzise Schnitte – unabhängig von der Härte oder Weichheit des Materials, solange dieses gut leitet.
So lassen sich mit EDM auch hochharte Materialien wie Inconel oder Wolframkarbid bearbeiten. Ingenieure setzen EDM ebenfalls ein, wenn komplexe Geometrien geschnitten werden müssen, die mit herkömmlichen Methoden wie Fräsen nicht möglich sind. Merkmale wie scharfe Innenkanten und tiefe Kavitäten sind typische Anwendungsfälle für das elektroerosive Bearbeiten.
Das Verfahren besteht aus zwei Hauptkomponenten: Elektroden und Werkstück. Beide sind jeweils an einen Pol der Stromversorgung angeschlossen. Die Elektrode trägt eine Ladung, das Werkstück die entgegengesetzte.
Wenn sich beide annähern, springt aufgrund des hohen Potentialunterschieds ein glühend heißer Funke von der Elektrode auf das Werkstück über. Im Funkenspalt entstehen Temperaturen zwischen 8.000 und 12.000 Grad Celsius, wodurch das Material schmilzt und abgetragen wird.
Solch hohe Temperaturen erfordern den Einsatz eines Isolier- bzw. Dielektrikums. Elektrode und Werkstück sind während des gesamten Prozesses in diese Flüssigkeit eingetaucht.
Das Dielektrikum steuert nicht nur die Entladung, sondern wirkt auch als Kühlmittel und spült die beim Erodieren entstehenden Partikel fort.
Die abgetragenen Partikel sind oft nur 2 Mikrometer oder kleiner – zum Vergleich: menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer dick. Die Partikel sind so fein wie Staub oder Rauch, wodurch mit EDM eine sehr hohe Präzision erreichbar ist.
Wichtig ist, dass der gesamte Bearbeitungsprozess vollständig automatisiert und CNC-gesteuert abläuft. Es ist keine manuelle Einwirkung erforderlich. Die Bearbeitungsprogramme können direkt aus 3D-CAD-Modellen generiert werden.
Abhängig von Form der Elektrode und der Prozesskonfiguration lassen sich verschiedenste Geometrien und Genauigkeiten erzielen. Die EDM-Verfahren werden in drei Haupttypen unterteilt:
Beim Senkerodieren wird eine Elektrode verwendet, die das Negativ der gewünschten Form besitzt. Diese wird in Gegenwart eines Dielektrikums in das Werkstück „eingesunken“. Durch eine Serie von elektrischen Entladungen entsteht so ein Negativabdruck der Elektrode im Werkstück.
Man kann sich das vorstellen wie das Eindrücken eines Metallteils in Ton – der Ton nimmt die Negativform des Metalls an. Genauso funktioniert das Senkerodieren.
Wenn von elektroerosiver Bearbeitung die Rede ist, meint man in der Regel dieses klassische Verfahren, auch als Kavitäten-, Volumen-, Ram- oder Sinker-EDM bekannt.
Beim Kavitäten-EDM hängt die Wahl des Elektrodenmaterials von dessen Leitfähigkeit und Erosionsbeständigkeit ab – je höher beide Werte, desto besser. Daher werden Elektroden meist aus Graphit oder Kupfer gefertigt, wobei Graphit einfacher zu bearbeiten ist. Die Kosten der Elektrodenherstellung können jedoch hoch ausfallen, sofern sie nicht durch größere Produktionsvolumina gerechtfertigt werden.
Mit dieser Methode lassen sich komplexe Geometrien wie scharfe Innenkanten erzeugen, die mit CNC-Bearbeitung nicht möglich wären.
Beim Drahterodieren ersetzt ein haardünner Draht die massive Elektrode. Der Draht leitet die elektrische Ladung zum Werkstück und bewirkt so mikroskopischen Materialabtrag an den gewünschten Stellen.
Das Verfahren ähnelt dem Sägeband einer Bandsäge: Der Draht durchdringt das Material und schneidet vertikale Konturen in zwei Dimensionen. Die Drahtdurchmesser liegen üblicherweise zwischen 0,05 mm und 0,35 mm.
Als Material kommen meist Kupfer oder Messing zum Einsatz, geführt von Diamantführungen. Da der Draht beim Erodieren ebenfalls verbrennt, wird er kontinuierlich von einer Spule nachgeführt, um Präzision und Maßhaltigkeit zu gewährleisten.
Schwierigkeiten bereiten die Erzeugung scharfer Innenkanten, da der Funkenspalt einen inneren Radius von etwa 0,15 mm hinterlässt und somit keine perfekten 90-Grad-Winkel möglich sind.
Typischerweise beginnt der Drahterodierschnitt an einer Außenkante des Werkstücks, doch ist auch ein Start im Inneren möglich. Dazu wird zunächst per Bohrerodieren ein Loch eingebracht, durch das anschließend der Draht eingefädelt und der Schnitt begonnen wird.
Mit Drahterodieren lassen sich extrem komplexe Formen mit engsten Toleranzen fertigen – bis hin zu Miniaturteilen für Uhren und andere Anwendungen.
Das Bohrerodieren ist ein spezielles Verfahren, bei dem hohle, röhrenförmige Elektroden verwendet werden, um tiefe, kleine Bohrungen in geeignete Materialien zu erzeugen. Das Grundprinzip entspricht den anderen EDM-Methoden, jedoch wird das Dielektrikum direkt durch die Elektrode zur Bearbeitungsstelle geführt.
Das Entgraten verursacht einen beträchtlichen Teil der Herstellungskosten. Ein Vorteil des Bohrerodierens ist das vollständige Fehlen von Graten, anders als bei konventionellen Methoden.
Bohrerodieren wird vor allem eingesetzt, wenn feine, komplexe Hohlräume im Bauteil erforderlich sind – zum Beispiel für die Gestaltung und Fertigung hochkomplexer Kühlkanäle in Turbinenschaufeln.
Das elektroerosive Bearbeiten ist die bevorzugte Alternative, wenn konventionelle Bearbeitungsverfahren bei elektrisch leitenden Werkstoffen an ihre Grenzen stoßen.
EDM kann jedes leitfähige Material unabhängig von seiner Härte oder Weichheit bearbeiten. Da alle Metalle zumindest eine gewisse Leitfähigkeit besitzen, lassen sich eine Vielzahl von Metallen wie Kupfer, Bronze, Wolfram, Stahl (einschließlich Kohlenstoff-, hochlegiertem, rostfreiem und gehärtetem Stahl), Inconel, Titan und viele andere bearbeiten.
In Bezug auf die Anwendungsgebiete findet EDM in unterschiedlichsten Branchen Einsatz – vom Automobil- bis zum Luftfahrtbereich. Während EDM früher vor allem für Dentalteile genutzt wurde, gewinnt es heute zunehmend an Bedeutung für Prothesen, Implantate und chirurgische Instrumente.
Die Präzision und Fähigkeit, komplexe Strukturen zu erzeugen, machen EDM unverzichtbar für die Herstellung von Bauteilen in verschiedensten Fertigungsprozessen, beispielsweise für komplexe Komponenten von Spritzgusswerkzeugen. Im Werkzeug- und Formenbau ist EDM besonders vorteilhaft, da sich damit präzise und gleichmäßige Strukturen für Kunststoffteile erzeugen lassen.
Typische Einsatzgebiete und Merkmale von EDM sind:
Das elektroerosive Bearbeiten bietet zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Bearbeitungsverfahren. Einige davon sind einzigartig für EDM, andere finden sich auch bei modernen Methoden wie Wasserstrahl- oder Laserschneiden. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:
EDM zählt zu den präzisesten Fertigungsverfahren überhaupt. Standardanlagen erreichen Genauigkeiten bis 0,025 mm, spezielle Maschinen sogar bis 0,005 mm.
Die erzielbare Präzision hängt von Materialeigenschaften, Bearbeitungsdauer und gewünschter Oberflächenqualität ab.
Mit EDM lassen sich äußerst komplexe und filigrane Formen herstellen, die mit traditionellen Fertigungsmethoden kaum oder gar nicht realisierbar wären.
EDM-Schnitte sind richtungslos und weisen keine Bearbeitungsspuren auf, sofern die Bearbeitungszeit nicht zu stark reduziert wird.
Die hohe Oberflächengüte resultiert aus dem langsamen Materialabtrag: Es werden stets nur winzige Partikel entfernt, sodass die Oberfläche so glatt ist, dass keine Nachbearbeitung für eine zufriedenstellende Oberfläche erforderlich ist.
Da die meisten Metalle gute Stromleiter sind, können mit EDM viele verschiedene Werkstoffe bearbeitet werden.
Beim EDM kommt kein Schneidwerkzeug mit dem Werkstück in Kontakt. Entsprechend wird das Werkstück keinen mechanischen Kräften oder Drücken ausgesetzt. Selbst extrem weiche Materialien, die durch mechanische Bearbeitung beschädigt oder gebrochen würden, können gefahrlos mittels EDM bearbeitet werden.
Kein Fertigungsverfahren ist ohne Einschränkungen – es gibt immer Kompromisse. Die Nachteile des elektroerosiven Bearbeitens umfassen:
Die Standzeit der Werkzeugelektrode ist beim EDM begrenzt, da sie wie das Werkstück dem Erosionsprozess unterliegt. Dies kann Probleme bereiten, etwa beim Erzeugen scharfer Innenkanten, wenn die Elektrode verschleißt.
Für zuverlässige Bauteile ist ein regelmäßiger Elektrodenwechsel ratsam. Die Kosten für die Elektroden wirken sich je nach Komplexität und Wechselhäufigkeit auf die Wirtschaftlichkeit aus – bei hohen Stückzahlen relativieren sich die Kosten jedoch.
EDM ist ein energieintensiver Prozess, der einen konstant hohen Strom benötigt. Die Energieversorgung und Vorschubsteuerung müssen je nach Anwendung angepasst werden.
So verwendet das Senkerodieren meist ein transistorisiertes Stromversorgungssystem wegen des geringeren Werkzeugverschleißes, während das Drahterodieren ein kapazitiv-transistorisches System nutzt, um Drahtbrüche zu vermeiden. Das Bohrerodieren erfordert aufgrund der höheren Abtragsrate und Prozessstabilität meist ein kapazitives System.
Der Stromverbrauch hängt von Werkzeugkonstruktion und Bearbeitungsparametern ab, liegt beim Bearbeiten von AISI P20-Stahl typischerweise zwischen 5 und 8 kW.
Der Prozess ist auf elektrisch leitfähige Werkstoffe beschränkt. Materialien wie Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und Glas können nicht bearbeitet werden.
Die Ausbildung einer Wärmeeinflusszone kann problematisch sein, bleibt jedoch geringer als bei alternativen Bearbeitungsmethoden.
Studien zeigen, dass das Ausmaß der HAZ-Entwicklung materialspezifisch unterschiedlich ist. Durch Kontrolle von Faktoren wie Wärmemenge, Wärmeleitung und Kühlwirkung lässt sich die Ausbildung der HAZ jedoch deutlich reduzieren.
Trotz seiner hohen Präzision birgt EDM einige Risiken, die strenge Sicherheitsmaßnahmen erfordern. Die bei der Bearbeitung eingesetzten hohen Spannungen stellen eine erhebliche Stromschlaggefahr dar, wenn Sicherheitsvorschriften missachtet werden. Wer diese missachtet, riskiert schwere Unfälle durch Stromschlag. Darüber hinaus können Dielektrika wie deionisiertes Wasser oder Öl aufgrund der durch elektrische Funken erzeugten hohen Temperaturen ein Brandrisiko darstellen. Auch eine ausreichende Belüftung ist essenziell, da beim Zersetzen der Dielektrikaflüssigkeiten giftige Dämpfe entstehen können.
Für die Konstruktion von EDM-Bauteilen sollten einige Punkte beachtet werden, um Kosten zu senken und dennoch keine Kompromisse beim Design einzugehen.
