Unkonventionelle Zerspanung: AJM, EBM, LBM und PAM Techniken im Überblick

In diesem Artikel besprechen wir die unkonventionellen Zerspanungsprozesse: 1. Abrasivstrahlbearbeitung (AJM) 2. Elektronenstrahlbearbeitung (EBM) 3. Laserstrahlbearbeitung (LBM) 4. Plasmalichtbogenbearbeitung (PAM). Außerdem lernen Sie: Unkonventioneller Zerspanungsprozess, Eigenschaften und Klassifizierungen.

Abrasivstrahlbearbeitung (AJM)

Bei der AJM erfolgt der Materialabtrag durch Aufprall feiner Abrasivpartikel, die mit einem Hochgeschwindigkeits-Luft- (oder Gas-)strom transportiert werden. Abbildung 6.1 zeigt den Prozess mit typischen Parametern. Die Abrasivpartikel haben typischerweise 0,025 mm Durchmesser, die Luft wird mit mehreren Atmosphären Druck ausgestoßen.

Mechanik der AJM

Wenn ein Abrasivpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Werkstückoberfläche trifft, verursacht der Aufprall einen winzigen Sprödbruch, und der folgende Luft- (oder Gas-)strom trägt das gelöste kleine Werkstückteilchen (Verschleißpartikel) weg. Dies ist in Abb. 6.2a und 6.2b dargestellt. Offensichtlich eignet sich der Prozess besonders für spröde und fragile Werkstoffe. Ein Modell zur Abschätzung der Materialabtragsrate (mrr) liegt vor. Der mrr durch Ausbrechen der Werkstückoberfläche durch die aufprallenden Abrasivpartikel wird ausgedrückt als –

wobei Z die Anzahl der pro Zeiteinheit aufprallenden Abrasivpartikel ist, d der mittlere Durchmesser der Abrasivkörner, v die Geschwindigkeit der Abrasivkörner, ρ die Dichte des Abrasivmaterials, H_w die Härte des Werkstücks (Fließspannung) und X eine Konstante.

Prozessparameter der AJM

Die Prozesseigenschaften lassen sich beurteilen durch – (i) den mrr, (ii) die Geometrie des Schnitts, (iii) die Rauheit der erzeugten Oberfläche und (iv) die Düsenverschleißrate.

Die wichtigsten Parameter, die diese Größen steuern, sind:

• (i) Das Abrasiv (Zusammensetzung, Festigkeit, Größe, Massenstrom)
• (ii) Das Gas (Zusammensetzung, Druck, Geschwindigkeit)
• (iii) Die Düse (Geometrie, Material, Abstand und Neigung zur Werkstückoberfläche)

Wir besprechen nun jeden dieser Parameter und ihre Effekte:

i. Das Abrasiv:

Hauptsächlich zwei Arten von Abrasiven werden verwendet: (i) Aluminiumoxid und (ii) Siliciumcarbid. Allgemein werden Aluminiumoxid-Abrasive in den meisten Anwendungen bevorzugt. Die Form der Körner ist nicht sehr wichtig, aber für zufriedenstellende Verschleißwirkung auf der Werkstückoberfläche sollten sie scharfe Kanten haben. Al₂O₃ und SiC Pulver mit nominalem Korndurchmesser von 10–50 µm sind verfügbar. Der beste Schnitt wird erreicht, wenn der nominale Durchmesser zwischen 15 µm und 20 µm liegt.

Eine Wiederverwendung des Abrasivpulvers wird nicht empfätzt, da (i) die Schneidfähigkeit nach der ersten Anwendung abnimmt und (ii) Verunreinigungen die kleinen Düsenöffnungen verstopfen. Der Massenstrom der Abrasivpartikel hängt von Druck und Gasstrom ab. Erhöht sich der Massenanteil der Abrasive im Strahl (Mischverhältnis), steigt der mrr zunächst an, erreicht ein Maximum und fällt dann wieder ab (Abb. 6.3a). Steigt der Massenstrom der Abrasive, steigt auch der mrr (Abb. 6.3b).

ii. Das Gas:

AJM-Geräte arbeiten normalerweise bei 0,2–1 N/mm² Druck. Die Gaszusammensetzung beeinflusst den mrr indirekt, da die Geschwindigkeits-Druck-Beziehung davon abhängt. Eine hohe Geschwindigkeit bewirkt offensichtlich einen hohen mrr, auch bei konstantem Abrasiv-Massenstrom.

iii. Die Düse:

Die Düse ist eines der wichtigsten Elemente zur Steuerung der Prozesseigenschaften. Da sie kontinuierlich mit hochgeschwindigen Abrasivkörnern in Kontakt steht, muss das Material sehr hart sein, um nennenswerten Verschleiß zu vermeiden. Normalerweise werden WC oder Saphir verwendet. Für normalen Betrieb liegt der Querschnittsbereich der Öffnung zwischen 0,05 mm² und 0,2 mm².

Die Öffnungsform kann kreisförmig oder rechteckig sein. Die durchschnittliche Lebensdauer einer Düse ist schwer zu bestimmen. Eine WC-Düse hält 12–30 Stunden, eine Saphirdüse ca. 300 Stunden.

Einer der wichtigsten Faktoren bei AJM ist der Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Düsenspitze – die sogenannte Düsen-Spitzen-Distanz (NTD). Die NTD beeinflusst nicht nur den mrr, sondern auch Form und Größe der erzeugten Kavität. Abb. 6.5 zeigt den Effekt der NTD. Erhöht sich die NTD, steigt die Geschwindigkeit der aufprallenden Abrasivpartikel durch Beschleunigung nach Verlassen der Düse.

Dies erhöht wiederum den mrr. Bei weiterer Erhöhung der NTD verringert sich die Geschwindigkeit durch atmosphärischen Widerstand, was den mrr-Anstieg zunächst bremst und schließlich senkt. Abb. 6.6 zeigt, wie die NTD den mrr beeinflusst.

Abrasivstrahlmaschinen werden von einem einzigen Hersteller (S.S. White Co., New York) unter dem Namen „Airbrasive“ hergestellt und vertrieben.

Eigenschaften der AJM

Elektronenstrahlbearbeitung (EBM)

Grundlegend ist die Elektronenstrahlbearbeitung ebenfalls ein thermischer Prozess. Ein Strom hochgeschwindiger Elektronen trifft auf die Werkstückoberfläche, wobei die kinetische Energie auf das Werkstückmaterial übertragen wird und intensive Erwärmung erzeugt. Je nach Intensität der so erzeugten Hitze kann das Material schmelzen oder verdampfen. Der Erhitzungsprozess durch einen Elektronenstrahl kann – je nach Intensität – zum Glühen, Schweißen oder Materialabtrag genutzt werden.

Sehr hohe Geschwindigkeiten lassen sich durch ausreichende Spannung erzielen; z. B. erzeugt eine Beschleunigungsspannung von 150.000 V eine Elektronengeschwindigkeit von 228.478 km/s. Da ein Elektronenstrahl auf einen Punkt von 10–200 µm Durchmesser fokussiert werden kann, erreicht die Leistungsdichte bis zu 6.500 Milliarden W/mm². Eine solche Leistungsdichte kann jede Substanz sofort verdampfen. Somit ist EBM nichts anderes als ein sehr präzise gesteuerter Verdampfungsprozess. EBM eignet sich zum Bohren feiner Löcher und Schneiden schmaler Schlitze.

Löcher mit 25–125 µm Durchmesser können in Blechen bis 1,25 mm Dicke nahezu augenblicklich gebohrt werden. Der schmalste per EBM schneidbare Schlitz hat eine Breite von 25 µm. Zudem kann ein Elektronenstrahl über magnetische Ablenkspulen manövriert werden, was die Bearbeitung komplexer Konturen erleichtert. Um Kollisionen der beschleunigten Elektronen mit Luftmolekülen zu vermeiden, muss der Prozess im Vakuum (ca. 10⁻⁵ mm Hg) durchgeführt werden; das macht ihn für sehr große Werkstücke ungeeignet.

Zur Darstellung des breiten Anwendungsbereichs des Elektronenstrahls zeigt Abb. 6.69 die Leistungsdichte in Abhängigkeit vom Hot-Spot-Durchmesser. Offensichtlich ist der Bereich des Elektronenstrahls der größte. Deshalb wird der Elektronenstrahl nicht nur zum Zerspanen, sondern auch für andere thermische Prozesse genutzt.

Die Elektronen werden von der Kathode (eine heiße Wolframwendel) emittiert, der Strahl wird durch den Gitterbecher geformt, und die Elektronen werden durch den großen Potentialunterschied zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Der Strahl wird mit elektromagnetischen Linsen fokussiert. Die Ablenkspulen steuern die Strahlbewegung beliebig.

Beim Bohren hängt der Lochdurchmesser vom Strahldurchmesser und der Energiedichte ab. Ist der gewünschte Lochdurchmesser größer als der Strahldurchmesser, wird der Strahl auf einen Kreisbogen mit passendem Radius abgelenkt. Die meisten mit EBM gebohrten Löcher weisen einen kleinen Krater auf der strahlzugewandten Werkstückseite auf. Die gebohrten Löcher besitzen auch eine leichte Konizität (2°–4°), wenn die Blechdicke über 0,1 mm liegt. Tabelle 6.5 gibt Aufschluss über die Leistungsmerkmale beim Bohren mit EBM.

Beim Schneiden eines Schlitzes hängt die Bearbeitungsgeschwindigkeit normalerweise von der Materialabtragsrate ab, also vom Querschnitt des zu schneidenden Schlitzes. Die Seiten eines Schlitzes in einem Blech bis 0,1 mm Dicke sind fast parallel. Bei dickeren Platten wird eine Konizität von 1°–2° beobachtet. Eine geringe Menge Materialspritzer tritt auf der strahlzugewandten Seite auf. Tabelle 6.6 gibt Aufschluss über die Schlitzschneidefähigkeiten des Elektronenstrahls.

Der Leistungsbedarf ist annähernd proportional zur Materialabtragsrate. So gilt P ≈ CQ, wobei C die Proportionalitätskonstante ist. Tabelle 6.7 gibt ungefähre Werte von C für verschiedene Werkstoffe.

Eine grobe Schätzung der Bearbeitungsgeschwindigkeit für gegebene Bedingungen ist mit Tabelle 6.7 möglich.

Mechanik der EBM

Elektronen sind die kleinsten stabilen Elementarteilchen mit einer Masse von 9,109 × 10⁻³¹ kg und einer negativen Ladung von 1,602 × 10⁻¹⁹ Coulomb. Wird ein Elektron durch eine Potentialdifferenz von V Volt beschleunigt, lässt sich die Änderung der kinetischen Energie als ½ m_e(u² – u₀²) = eV ausdrücken, wobei m_e die Elektronenmasse, u die Endgeschwindigkeit und u₀ die Anfangsgeschwindigkeit ist. Vernachlässigt man die Anfangsgeschwindigkeit der emittierten Elektronen, lautet der Endausdruck für die Elektronengeschwindigkeit u in km/s –

u ≈ 600√V (6.67)

Trifft ein schnell bewegtes Elektron auf eine Materialoberfläche, durchdringt es ungestört eine Schicht. Dann beginnt es, mit den Molekülen zu kollidieren und wird letztlich zum Stillstand gebracht (Abb. 6.71). Die Schicht, durch die das Elektron ungestört eindringt, wird als transparente Schicht bezeichnet.

Erst wenn das Elektron mit den Gitteratomen kollidiert, gibt es seine kinetische Energie ab und erzeugt Wärme. Damit ist klar, dass die Wärmeerzeugung im Materialinneren stattfindet, also unterhalb der transparenten Haut. Die Gesamtreichweite, bis zu der das Elektron eindringen kann (δ), hängt von der kinetischen Energie ab, also von der Beschleunigungsspannung V. Es wurde festgestellt, dass –

wobei δ die Reichweite in mm, V die Beschleunigungsspannung in Volt und ρ die Dichte des Materials in kg/mm³ ist.

Auswirkungen der EBM auf Materialien:

Da die Bearbeitung durch einen Elektronenstrahl erfolgt, ohne die Temperatur des umgebenden Materials zu erhöhen (außer einer extrem dünnen Schicht), gibt es keine Auswirkung auf das Werkstück. Aufgrund der extrem hohen Energiedichte bleibt das Werkstückmaterial 25–50 µm vom Bearbeitungspunkt entfernt bei Raumtemperatur. Auch die Kontaminationsgefahr ist geringer, da der Prozess im Vakuum abläuft.

Zusammenfassung der EBM-Eigenschaften

Laserstrahlbearbeitung (LBM)

Wie ein Strahl hochgeschwindiger Elektronen kann auch ein Laserstrahl sehr hohe Leistungsdichten erzeugen. Laser ist ein hochkohärenter (im Raum und in der Zeit) Strahl elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 0,1 µm bis 70 µm. Der Leistungsbedarf für eine Zerspanungsoperation begrenzt den effektiv nutzbaren Wellenlängenbereich jedoch auf 0,4–0,6 µm.

Da die Strahlen eines Laserstrahls perfekt parallel und monochromatisch sind, kann er auf einen sehr kleinen Durchmesser fokussiert werden und eine Leistungsdichte von bis zu 10⁷ W/mm² erzeugen. Für hohe Leistung wird normalerweise ein gepulster Rubinlaser verwendet. Auch der kontinuierliche CO₂-N₂-Laser wurde erfolgreich in Zerspanungsoperationen eingesetzt.

Eine gewendelte Xenon-Blitzröhre umgibt den Rubinstab, die Innenfläche des Behälters ist hochreflektierend, damit maximales Licht auf den Rubinstab für den Pumpvorgang fällt. Der Kondensator wird geladen und eine sehr hohe Spannung an die Auslöseelektrode angelegt, um den Blitz zu initiieren. Der emittierte Laserstrahl wird durch ein Linsensystem fokussiert und der fokussierte Strahl trifft auf die Werkstückoberfläche, wobei ein kleiner Materialteil durch Verdampfung und Hochgeschwindigkeitsablation entfernt wird.

Ein sehr kleiner Bruchteil des geschmolzenen Metalls verdampft so schnell, dass ein substanzieller mechanischer Impuls erzeugt wird, der einen großen Teil des flüssigen Metalls auswirft. Da die vom Blitzrohr freigesetzte Energie weit höher ist als die vom Laserkopf emittierte Energie in Form des Laserstrahls, muss das System ordnungsgemäß gekühlt werden.

Der Wirkungsgrad des LBM-Prozesses ist sehr gering – etwa 0,3–0,5 %. Die typische Ausgabeenergie eines Lasers beträgt 20 J bei einer Pulsdauer von 1 Millisekunde. Die Spitzenleistung erreicht 20.000 W. Die Strahldivergenz liegt bei ca. 2 × 10⁻³ rad, und mit einer Linse von 25 mm Brennweite wird der Fleckdurchmesser ca. 50 µm.

Wie der Elektronenstrahl wird auch der Laserstrahl zum Bohren von Mikrolöchern und Schneiden sehr schmaler Schlitze verwendet. Löcher bis 250 µm Durchmesser lassen sich leicht mit einem Laser bohren. Die Maßgenauigkeit liegt bei ca. ±0,025 mm. Bei Werkstückdicken über 0,25 mm wird eine Konizität von 0,05 mm pro mm festgestellt.

Mechanik der LBM

Bearbeitung mit einem Laserstrahl erfolgt in folgenden Phasen:

• (i) Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstückmaterial
• (ii) Wärmeleitung und Temperaturanstieg
• (iii) Verdampfung und Ablation

Eine genaue Analyse des Gesamtprozesses ist schwierig und sprengt den Rahmen dieses Textes. Wir besprechen jedoch bestimmte einfache Aspekte fundamentaler Bedeutung, wobei wir nur den Temperaturanstieg des Werkstücks bis zum Schmelzpunkt betrachten; Verdampfung und Ablation werden in unserer Analyse nicht berücksichtigt.

(i) Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstück:

Der Einsatz eines Laserstrahls in der Zerspanung hängt von der thermo-optischen Wechselwirkung zwischen Strahl und festem Werkstückmaterial ab. Offensichtlich sollte die Werkstückoberfläche nicht zu viel der einfallenden Strahlenergie reflektieren. Abb. 6.74 zeigt einen Laserstrahl, der auf eine feste Oberfläche trifft. Das absorbierte Licht dringt in das Medium ein und seine Energie wird allmählich in Form von Wärme an die Gitteratome übertragen. Die Absorption folgt dem Lambertschen Gesetz –

I(z) = I(0)e^–μz

Wobei I(z) die Lichtintensität in Tiefe z (Abb. 6.74) und μ der Absorptionskoeffizient ist. Der größte Teil der Energie wird in einer sehr dünnen Schicht an der Oberfläche absorbiert (typische Dicke 0,01 µm). Es ist daher vernünftig anzunehmen, dass die absorbierte Lichtenergie an der Oberfläche selbst in Wärme umgewandelt wird und der Laserstrahl als äquivalenter Wärmestrom betrachtet werden kann.

(ii) Wärmeleitung und Temperaturanstieg:

Die Rückstrahlung von der Oberfläche bei 3000 K ist in der Größenordnung von nur 600 W/cm² und vernachlässigbar im Vergleich zum Eingangsstrom von 10⁵–10⁷ W/cm². Für eine eindimensionale Analyse wird der Strahlfleckdurchmesser als größer als die Eindringtiefe angenommen. Auch die thermischen Eigenschaften (Leitfähigkeit, spezifische Wärme) werden als temperaturunabhängig betrachtet.

Das äquivalente Wärmeleitungsproblem wird durch einen gleichmäßigen Wärmestrom H(t) an der Oberfläche (Abb. 6.75) eines halbinendlichen Körpers dargestellt. Die Wärmeleitungsgleichung für den Bereich z > 0 lautet –

Stationäre Lochdurchdringung

Die Bestimmung der Abmessungen des geschmolzenen Materialanteils ist kompliziert. Ist die geschmolzene Grube (oder das Loch) tief und schmal, findet der Hauptteil der Wärmeleitung vom geschmolzenen Loch über die Seitenwände statt. Wenn die Wärmezufuhrrate der Wärmeverlustrate des geschmolzenen Anteils gleich ist, behält es Form und Größe bei. Im stationären Zustand ist der Wärmeverlust des geschmolzenen Anteils (Abb. 6.77) gegeben durch –

Aus Erfahrung wurde festgestellt, dass D ≈ 55d. So kann ln(D/d) approximativ als 4 angenommen werden, und durch Gleichsetzen von Wärmezufuhr- und Wärmeverlustrate erhält man die Relation –

Bei sehr hoher Strahlintensität (>10⁷ W/cm²) ist die Erwärmung sehr schnell, und der soeben beschriebene Mechanismus ist nicht mehr gültig. Der einfallende Strahl erhitzt die Oberfläche rasch und verdampft sie. Die Oberfläche des Werkstücks, auf die der Strahl trifft, weicht zurück, während das Material verdampft. Wenn v die Geschwindigkeit ist, mit der die Oberfläche zurückweicht, ist die erforderliche Wärmezufuhrrate zum Verdampfen des Materials (gleich der Wärmezufuhrrate des einfallenden Strahls) –

H ≈ vL (6.82)

Wobei L die Energie ist, um ein Einheitsvolumen des Materials zu verdampfen.

Zusammenfassung der LBM-Eigenschaften

Plasmalichtbogenbearbeitung (PAM)

Ein Plasma ist ein hochtemperiertes ionisiertes Gas. Die Plasmalichtbogenbearbeitung erfolgt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrahl hochtemperierten Plasmas. Der Plasmasstrahl erhitzt das Werkstück (wo der Strahl auftrifft), was schnelles Schmelzen bewirkt. PAM kann an allen elektrisch leitenden Materialien angewendet werden, einschließlich solcher, die gegen Sauerstoff-Brennschneiden beständig sind. Der Prozess wird umfangreich zum Konturschneiden von Edelstahl, Monel und Superlegierungsplatten eingesetzt.

Ein Plasma wird erzeugt, indem ein fließendes Gas dem Elektronenbombardement eines Lichtbogens ausgesetzt wird. Dazu wird der Lichtbogen zwischen Elektrode und anodischer Düse gezündet; das Gas wird gezwungen, durch diesen Lichtbogen zu strömen.

Die hochgeschwindigen Elektronen des Lichtbogens kollidieren mit den Gasmolekülen, verursachen eine Dissoziation der zweiatomigen Moleküle oder Atome in Ionen und Elektronen, was zu einem erheblichen Anstieg der Leitfähigkeit des nun im Plasmazustand befindlichen Gases führt. Die freien Elektronen beschleunigen anschließend und verursachen weitere Ionisierung und Erhitzung. Danach tritt ein weiterer Temperaturanstieg auf, wenn Ionen und freie Elektronen zu Atomen rekombinieren oder Atome zu Molekülen, da dies exotherme Prozesse sind.

So wird ein hochtemperiertes Plasma erzeugt, das in Form eines Strahls durch die Düse gepresst wird. Die Mechanik des Materialabtrags basiert auf – (i) Erhitzen und Schmelzen, und (ii) Entfernen des geschmolzenen Metalls durch die Sprengwirkung des Plasmasstrahls.

Für Details siehe Standardhandbücher und Fachliteratur. Hier listen wir die grundlegenden Eigenschaften auf, um den Leser mit dem Prozess vertraut zu machen.

Zusammenfassung der PAM-Eigenschaften