Neue Freiheiten mit Jet-PeP

In einer Welt, die techno­logisch von mikro über nano immer kleineren Bau­teilen und Struk­turen zustrebt, verrichten selbst bei herkömm­lichen Methoden der Ober­flächen­bearbeitung immer öfter Ionen das Werk. So auch beim Plasma­elektro­lytischen Polieren (PeP), bei dem die eigentlichen Elektro­lyse­prozesse nicht wie üblich zwischen Kathode und Anode sondern unter Beteiligung einer sich anoden­nah auf­bauenden Plasma-Dampf­zone ablaufen. Ein inter­nationales For­schungs­team unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert (Mikro­fertigungs­technik , TU Chemnitz) hat mit der Entwick­lung einer strahl­basierten Variante (Jet-PeP) erst­malig die gezielte und lokal begrenzte Politur aus­gewählter Oberflächen­bereiche mit einstell­barem Polier­ergebnis ermöglicht – ohne die bisher nötigen aufwendigen Maskie­rungen des zu polierenden Bereiches.

Das innovative Verfahren zum „Lokalen Polieren“ setzt auf einen fein justier­baren und räum­lich begrenz­baren elektro­lytischen Frei­strahl und gestattet es, verschiedene Metall-Ober­flächen so effektiv und ressourcen­sparend wie beim bereits bewährten Plasma­elektro­lytischen Polieren (PeP) zu bearbeiten. „Durch den erfolg­reich ent­wickelten Jet-PeP Prozess ist nun erst­malig die lokal begrenzte Politur aus­gewählter Oberflächen­bereiche mit einstell­barem Polier­ergebnis möglich, ohne dass komplizierte Mas­kierungen aufwendig auf­gebracht und wieder entfernt werden müssen. Auch zeit­auf­wendige Ein­tauch­strategien sind nicht mehr notwendig“, erklärt Schubert. Zum Einsatz kann diese Technologie beispielsweise bei Komponenten aus der Medizin­technik und aus dem Werkzeug- und Formen­bau oder im Bereich der Schmuck­industrie kommen.

Für das Polieren von Ober­flächen metal­lischer Bauteile ist das Plasma­elektro­lytische Polieren (PeP) besonders geeignet, weil ein umwelt­freundlicher Elektrolyt und eine geringe Material­abtrag­rate eine ressourcen­effiziente Bearbeitung mit hoher Form­treue ermöglichen. Beim PeP handelt es sich um ein Tauch­verfahren ähnlich dem Elektro­polieren, bei dem Werk­stücke durch teilweises oder vollständiges Ein­tauchen in ein Elektro­lyt­bad unter Anlegen hoher Gleich­spannungen bis zu mehreren hundert Volt poliert werden. Die Größe der polier­baren Ober­fläche hängt von der maximalen elektrischen Leistung der Prozess­energie­quelle ab. Zudem ist das Polieren lokal begrenzter Bereiche mit unter­schied­lichen Ergeb­nissen nur durch auf­wendige Mas­kierungen und Eintauch­strategien möglich. Diese Ein­schränkungen begrenzen die Einsatz­möglich­keiten des Verfahrens.

Ziel des vom Bundes­ministerium für Bil­dung und For­schung (BMBF) im Rahmen des Programms „Inno­vationen für die Produk­tion, Dienst­leistung und Arbeit von morgen“ geför­derten Projektes war der Trans­fer des Tauch­ver­fahrens auf den Jet-PeP-Polier­prozess, um die Ab­hängig­keit der elek­trischen Leistung von der Größe der Bauteil­oberfläche zu umgehen und das lokale Polieren ausgewählter Ober­flächen­bereiche zu er­möglichen. Dazu wurde eine Labor­anlage entwickelt, für die ein line­ares, drei­achsiges Kinematik­system aufgebaut wurde, um die Bewegung der Elektro­lyt­düse zu er­mög­lichen.  

Mit Hilfe eines geschlossenen elektro­lytischen Frei­strahls wurde eine laterale Begrenzung des Strom­flusses erzielt, sodass der polierte Bereich lokal eingegrenzt wurde. Somit kann auf eine Mas­kie­rung der angren­zenden Ober­flächen verzichtet werden. „Die Heraus­forderung bei der Entwick­lung des Polier­prozesses war die Auf­recht­erhaltung von konstanten Prozess­bedin­gungen für ein erfolg­reiches Polieren“, führt Andreas Schubert weiter aus. Unter anderem wurde dies durch eine auto­matisierte Tempe­rierung des Elektro­lyten und Steuerung des Volumenstroms ermöglicht. Oliver Kröning von der Firma Leukhardt Schalt­anlagen System­technik GmbH fügt hinzu: „Die Initi­ierung und Aufrecht­haltung des Prozesses bei verschiedenen Lasten konnte durch die Entwick­lung einer spezifischen Prozess­energiequelle realisiert werden“.

Die experi­mentelle Bewertung des Jet-PeP-Pro­zesses erfolgte anhand von Bau­teilen aus der Medizin­technik aus dem Edel­stahl AISI 304. Es wurde ein material­spezi­fischer Elektro­lyt durch das Beckmann-Institut für Techno­logie­entwicklung e. V. entwickelt und im Tauch­verfahren erprobt. Die Charak­teri­sierung der Ober­flächen­rauheit und der chemi­schen Zu­sammen­set­zung der polierten Ober­flächen erfol­gten durch den israe­lischen Projekt­partner Technion Re­search & Develop­ment Foun­dation Ltd. „Perspek­tivisch steht die neu­ent­wickelte Labor­anlage für weitere Forschungs­projekte auch inner­halb inter­nationaler Ko­ope­ra­tionen zur Ver­fügung“, lädt Schubert zu­künf­tige Partner ein.

TU Chemnitz / LK