Ein Beitrag zur Optimierung von elektrochemisch hergestellten Oberflächen im Werkzeug- und Formenbau

Abstract

Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass sich beim Rapid Tooling besonders für lasergesinterte Werkzeuge und Formen neue Möglichkeiten durch eine gezielte elektrochemische Beschichtung ergeben. Dazu wurden im ersten Teil der Arbeit die qualitätsbestimmenden physikalischen und chemischen Einflussgrößen dieses Beschichtungsverfahrens herausgearbeitet. Dabei konnte gezeigt werden, dass hydrodynamische Effekte neben der E-Feldausprägung einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Beschichtungsergebnisses ausüben. Auf diese Erkenntnisse baut ein Simulationsmodell auf, das sich wesentlich von bisher bekannten Ansätzen unterscheidet. Im realen Versuch wurde die Wirksamkeit der Simulation mit zwei unterschiedlichen Elektrolyten nachgewiesen. Um die geforderten gleichen Strömungs- und E-Feldbedingungen an jedem Punkt der Werkstückoberfläche zu gewährleisten, sind der Werkstückgeometrie angepasste Anoden notwendig. Da die Herstellung solcher werkstückgebundenen Anoden teuer ist, lohnt deren Einsatz bisher nur in der Großserie. Ein flexibles, auf unterschiedlich geformte Oberflächen einstellbares Anodensystem könnte diese Beschränkung aufheben. Das Prinzip eines solchen, für verschiedene Werkstücke nutzbaren Anodensystems wird im zweiten Teil der Arbeit beschrieben und sein Einsatz mit einer realen Beschichtung erfolgreich verifiziert. Durch generative Verfahren hergestellte Formwerkzeuge konnten bisher die an Prototypenwerkzeuge gestellten Qualitätsanforderungen in der Regel nur mit erheblichem Nacharbeitsaufwand erfüllen. Mittels gezielter elektrochemischer Beschichtung und mit der in dieser Arbeit beschriebenen Vorgehensweise ließen sich bei lasergesinterten Formwerkzeugen, die vor allem im Prototypenbau von Kunststoffbauteilen von großem Interesse sind, deren bisherige Qualitätsmängel preisgünstig beseitigen. Sowohl das vorgestellte Simulationsmodell zur elektrochemischen Beschichtung als auch das Konzept eines flexiblen Formanodensystems machen weitere Anwendungen denkbar. So könnte man mittels Simulation und entsprechend eingestellter Anode gezielt Maßabweichungen durch elektrochemisches Beschichten ausgleichen. Damit wäre ein rechnergestützter Qualitätsregelkreis, in dem alle Teilprozesse einer Fertigungsprozesskette digital abgebildet sind, vollständig zu schließen.

Manufacturing enterprises should organize their manufacturing processes in networked and versatile networks in order to be able to react to fast changing market requirements in an economic and flexible way. This is also valid for tool and mould making. Therefore, in this field strategies such as rapid tooling are required which allow for a fast and low-cost manufacturing of small or pilot series. This dissertation shows a new approach in the field of rapid tooling by applying directed electro-chemical layers to laser-sintered tools and moulds in particular In the first part of this study, those physical and chemical parameters of this coating method which may have an effect on quality are worked out. It can be demonstrated that apart from the characteristics of the electric field, hydro-dynamic effects decisively influence the quality of a coating. A simulation model, which fundamentally differs from current approaches, is based on these results. The effectiveness of the simulation has been proved in experiments with two different electrolytes. Anodes have to be adapted to the geometry of a work-piece in order to ensure the required identical conditions concerning current and electrical field in every point of the work-piece’s surface. Due to the costs of manufacturing, such work-piece dependent anodes, have up to now have been employed in line production only. This constraint could be compensated by a flexible anode system adjustable to variously shaped surfaces. In the second part of this study, the principle of such an anode system usable for different work-pieces is described and its use in a real coating process successfully verified. Moulding tools manufactured by generative methods have usually so far only met the quality requirements for prototypes when reworked with considerable effort. The directed electro-chemical coating and the approach described in this dissertation are a cheap way to eliminate existing quality defects of laser-sintered moulding tools, as they are used for making prototypes of plastic parts in particular. The introduced model of electro-chemical coating simulation as well as the concept of a flexible anode system both allow for new applications. Using the simulation and a respectively adjusted anode, electro-chemical coating could, for example, help compensating for deviations. Thus, a computer aided quality control loop, digitally representing all sub-processes of a manufacturing chain, could be closed entirely.