Electrical Discharge Machining (EDM) oder Elektroerosion ist ein thermisches Materialabtragsverfahren, bei dem eine Reihe kontrollierter elektrischer Entladungen in einer kontrollierten Funkenerosion durch ein leitendes Werkstück fließt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bearbeitungsverfahren, die sich auf Schnittkräfte stützen, wird beim Erodieren Metall durch lokales Schmelzen und Verdampfen aufgrund von Hochfrequenzfunken abgetragen.

Electrical discharge machining is done in a dielectric medium, usually deionized water or EDM oil that serves as an insulator until a critical voltage threshold is reached. When the electric field is more than the dielectric strength, a spark will be developed over a microscopic distance. This localized discharge produces a highly confined plasma channel with extraordinary temperatures ranging from 8,000°C to 12,000°C ^[1]. This intense heat causes instantaneous melting and vaporization of the workpiece material, followed by explosive expulsion, forming a microscopic crater.

Ein wesentlicher Vorteil der Funkenerosion ist die Tatsache, dass sie keine mechanischen Spannungen verursacht. Dadurch eignet es sich sehr gut für die Bearbeitung gehärteter Materialien und feiner Geometrien. Es wird häufig bei der Herstellung von Spritzgussformen, Extrusionswerkzeugen, Turbinenteilen und Präzisionswerkzeugeinsätzen eingesetzt, wo herkömmliche Schneidwerkzeuge entweder versagen oder Schwierigkeiten bereiten würden.

Klassifizierung von EDM-Prozessen

Es gibt drei Hauptarten von EDM-Verfahren: Senkerodieren, Drahterodieren und Bohrerodieren. Alle haben einen bestimmten Zweck und sind für bestimmte Geometrien und Betriebsbedingungen optimiert.

Senkerodieren Beim Senkerodieren (oder Rammerodieren) wird eine vorgeformte Elektrode in das Werkstück eingeführt, um ein Loch zu erzeugen. Die Geometrie der Elektrode bestimmt die endgültige Form, so dass dies eine ideale Methode für Formhohlräume, scharfe Kanten und komplexe innere Merkmale ist.

Wire EDM involves the use of a wire that is continuously moving and is used as the electrode, usually made of brass or coated copper. The wire is plotted in a preprogrammed CNC path, cutting through the material. Types of wire EDM are: high-speed wire EDM, multi-pass wire EDM, and multi-axis wire EDM with taper cutting and complex contouring. These innovative forms enhance precision and surface finish to a large extent.

Mit dem Bohrerodieren werden tiefe Löcher mit kleinem Durchmesser und hohem Aspektverhältnis hergestellt. Sie wird häufig zur Herstellung von Startlöchern beim Drahterodieren oder von Kühlkanälen in Objekten der Luft- und Raumfahrt wie Turbinenschaufeln eingesetzt.

Arten von EDM-Ausrüstung

Senkerodiermaschinen

Senkerodiermaschinen sind für die Bearbeitung von Hohlräumen mit geformten Elektroden entwickelt worden. Sie haben servogesteuerte Achsen, die einen bestimmten Funkenspalt einhalten. Diese Maschinen sind mit hochauflösenden Positioniersystemen, adaptiven Steuerungssystemen und automatischen Elektrodenwechslern ausgestattet. Die Maschinen werden in der Regel in Branchen eingesetzt, die eine hochkomplexe Geometrie erfordern, wie z. B. im Formen- und Gesenkbau.

Drahterodiermaschinen

Wire EDM machines are controlled CNC machines with wire feeding, tensioning, and automatic threading. They enable cutting in a continuous fashion with minimum operator control. Contemporary machines assist in multi-axis motion, which allows taper cuts and 3D complex designs. Utilizing ultra-fine wires (down to Ø0.02 mm) and advanced multi-pass cutting strategies, modern Wire EDM systems can reliably achieve positional accuracies within a few microns and exceptional surface finishes (e.g., Ra 0.1 µm), making them perfect for ultra-precise tooling plates and punches ^[2].

Bohrerodiermaschinen

Drill EDM (or fast hole drilling EDM) is optimized for producing deep micro-holes. By utilizing advanced techniques such as sidewall-insulated electrodes to prevent secondary sparks, these systems can successfully drill micro-holes (e.g., Ø 0.2 mm) with extreme aspect ratios reaching up to 120:1, which is nearly impossible to achieve with traditional mechanical drilling ^[3]. They operate on the principle of tubular electrodes with high-pressure flushing of dielectric fluid. This guarantees a good elimination of debris and consistent machining. These machines are vital in aerospace and in the energy sectors, where cooling holes are crucial.

Elektrodenmaterialien und Designüberlegungen

Die Wahl des Elektrodenmaterials hat einen direkten Einfluss auf die Bearbeitungseffizienz, die Verschleißrate und die Oberflächenintegrität. Einige der gängigen Elektrodenmaterialien sind Graphit, Kupfer, Kupfer-Wolfram und Messing.

Graphit ist wegen seines hohen Schmelzpunkts und seiner geringen Abnutzung ein sehr beliebtes Schruppmaterial. Kupfer wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und seiner Fähigkeit, eine feinere Oberfläche zu erzielen, als bevorzugtes Schlichtmaterial verwendet. Kupfer-Wolfram ist eine Mischung aus Festigkeit und Leitfähigkeit, die für hochpräzise und verschleißintensive Anwendungen geeignet ist.

Bei der Konstruktion der Elektrode sollten Verschleißausgleich, Wärmeausdehnung und Spüleffizienz berücksichtigt werden. In der Regel gibt es eine leichte Überdimensionierung, um der Erosion entgegenzuwirken. Für Schrupp- und Schlichtbearbeitungen kann eine Reihe von Elektroden in komplexen Geometrien erforderlich sein, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

Standardprozessablauf der Funkenerosion

Design und Prozessplanung

It starts with CAD modeling of the workpiece or electrode (in sinker EDM) and then moves into a stepwise process of cutting the work. During this stage, engineers will have to consider the spark gap, overcut, and electrode wear. Using CAM software, engineers produce toolpaths, simulate machining conditions and define process parameters. In case of complicated geometries, several electrodes can be prepared for roughing, semi-finished, and finished conditions.

Die Planung in dieser Phase ist sehr wichtig, denn Erodieren ist keine Versuch-und-Irrtum-Aktivität. Elektrodenmaterial, Bearbeitungsreihenfolge und Spülstrategie sind Entscheidungen, die sich direkt auf die Produktivität und die Endqualität des Teils auswirken.

Herstellung von Elektroden und Vorbereitung von Werkstücken

Electrodes are then produced through standard machining methods, like milling or grinding, after finalizing the design phase. The precision should be high since the shape of the final cavity depends directly on the geometry of the electrode. For complex parts, multiple electrodes with incremental offsets may be produced.

Das Werkstück ist dann bereit und fest auf dem Maschinentisch eingespannt. Es ist eine genaue Ausrichtung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Elektrode den richtigen Bearbeitungspunkt berührt. Die Wiederholbarkeit wird durch Vorrichtungen und Referenzpunkte erreicht, insbesondere bei der Serienfertigung.

Einrichten der Maschine und Vorbereitung des dielektrischen Systems

Die Erodiermaschine wird durch Anbringen der Elektrode oder des Drahtes, der Koordinatensysteme und der Bearbeitungsparameter eingerichtet. Das Dielektrikum wird eingefüllt, gefiltert und gepumpt, um eine gute Isolierung und einen guten Ablagerungsabstand zu gewährleisten.

Servosteuerungssysteme werden so eingestellt, dass ein konstanter Funkenspalt entsteht, der in der Regel zwischen einigen Mikrometern liegt. Dies ist ein kritischer Abstand, um stabile Entladungsbedingungen zu erreichen, und muss während der Bearbeitung ständig variiert werden.

Grobbearbeitung (Abtragen von Schüttgut)

Der erste aktive Prozess des Materialabtrags ist die Schruppbearbeitung. Die maximale Abtragsleistung wird mit einer hohen Entladungsenergie erreicht. Die Werkstückoberfläche wird mit größeren Kratern geformt, wodurch eine raue Textur, aber ein schneller Fortschritt entsteht.

In dieser Phase ist der Elektrodenverschleiß größer, so dass Kompensationsstrategien angewandt werden müssen. Auch die Spülung sollte effizient sein, um Verunreinigungen zu beseitigen und instabile Funkenbildung wie Lichtbögen zu vermeiden.

Semi-Finishing und Finishing Operationen

Auf das Schruppen folgen das Halbschlichten und das Schlichten. Die in diesen Phasen abgegebene Energie, die Länge des Impulses und die Kontrolle des Funkenspaltes werden immer geringer. Ziel ist es, die Geometrie zu präzisieren und die Oberflächenqualität zu verbessern.

Um die gewünschte Oberflächengüte und Toleranz zu erreichen, können mehrere Durchgänge erforderlich sein. Bei Hochpräzisionsanwendungen werden Spiegelelektroerosionsverfahren eingesetzt, um ultraglatte Oberflächen mit minimaler Neuschichtbildung zu erzeugen.

Nachbearbeitung und Inspektion

Nach der Bearbeitung wird das Werkstück gereinigt, um dielektrische Flüssigkeit und Rückstände zu entfernen. Anschließend wird es mit Präzisionsmessgeräten wie Koordinatenmessgeräten (KMG), optischen Systemen und Oberflächenrauhigkeitsprüfgeräten geprüft.

Sekundäre Verfahren wie Polieren, Wärmebehandlung oder Beschichtung können bei Bedarf durchgeführt werden. Bei kritischen Anwendungen kann die Recast-Schicht entfernt werden, um die Ermüdungsfestigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Wichtige Prozessparameter beim Erodieren

Entladestrom (Spitzenstrom)

Der Entladungsstrom bestimmt die Intensität der einzelnen Funken und ist einer der einflussreichsten Parameter beim Erodieren. Höhere Ströme erzeugen größere Funken, und die Abtragsrate steigt. Dies führt jedoch auch zu größeren Kratern auf der Oberfläche, was zu einer größeren Rauheit und einer dichteren Überzugsschicht führt.

Die Endbearbeitung erfolgt bei niedrigeren Stromstärken, um eine feinere Oberflächengüte und eine bessere Maßgenauigkeit zu erzielen. Bei der Stromregelung sollte auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Qualität und Produktivität geachtet werden.

Impulsdauer (Einschaltdauer)

Die Impulsdauer, die allgemein als Einschaltdauer bezeichnet wird, ist die Dauer der einzelnen elektrischen Entladungen. Je länger der Impuls, desto mehr Energie wird an das Werkstück weitergegeben, wodurch tiefere und breitere Krater entstehen. Dies erhöht die Menge des abgetragenen Materials, wirkt sich aber nachteilig auf die Oberflächengüte aus.

Kleinere Krater werden durch kürzere Pulsdauern erzeugt und führen zu glatteren Oberflächen. Kurze Pulse spielen eine wichtige Rolle bei der Präzisionsbearbeitung, wo thermische Schäden reduziert und enge Toleranzen erreicht werden können.

Impulsintervall (Aus-Zeit)

Die Zeit zwischen den Entladungen wird als Impulsintervall oder Ausschaltzeit bezeichnet. Diese Zeitspanne wird genutzt, um sicherzustellen, dass das Dielektrikum entionisiert wird und seine isolierenden Eigenschaften wiedererlangt, und um erodierte Partikel in der Funkenstrecke wegzuspülen.

Bei einer kurzen Ausschaltzeit können die Ablagerungen instabile Funkenbildung, Lichtbogenbildung oder Kurzschlüsse verursachen. Lange Ausschaltzeiten hingegen verringern die Effizienz der Bearbeitung. Dieser Parameter sollte optimiert werden, um einen stabilen Betrieb und stabile Ergebnisse zu gewährleisten.

Entladespannung

Die Entladespannung wirkt sich auf den Funkenstreckenabstand und die Einleitung der Entladung aus. Eine Erhöhung der Spannung vergrößert den Abstand, was die Spülbedingungen verbessert und das Auftreten eines Kurzschlusses minimiert. Sie kann jedoch auch zu einem Verlust an Bearbeitungspräzision führen, wenn sie nicht richtig gesteuert wird.

Geringere Spannungseinstellungen erzeugen einen kleineren Spalt, was zu einer höheren Genauigkeit führen würde, aber eine größere Kontrolle über die Entfernung von Ablagerungen und die Stabilität der Maschine erfordert.

Funkenspalt und Servosteuerung

Der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück während des Bearbeitungsprozesses wird als Funkenstrecke bezeichnet. Es ist wichtig, einen konstanten Spalt zu haben, um stabile Entladungsbedingungen zu erhalten. In modernen Funkenerosionsmaschinen wird die Elektrodenposition kontinuierlich mit Hilfe eines Servosteuerungssystems als Reaktion auf eine Echtzeit-Rückmeldung eingestellt.

Ein optimaler Funkenspalt garantiert eine effiziente Energieübertragung, weniger Elektrodenverschleiß und einen präzisen Materialabtrag. Abweichungen führen zu schlechter Oberflächenqualität oder Bearbeitungsinstabilität.

Spüldruck und dielektrischer Fluss

Die Bewegung von dielektrischer Flüssigkeit zum Ausspülen des Bearbeitungsbereichs wird als Spülung bezeichnet. Um eine saubere Funkenstrecke zu gewährleisten und Defekte wie Lichtbögen und Kurzschlüsse zu vermeiden, ist eine ordnungsgemäße Spülung erforderlich.

Spüldruck und Durchflussmenge sollten gut reguliert sein. Zu wenig Spülung führt zu Ablagerungen, zu viel Spülung zu einer Störung der Funkenstrecke und kann zu mangelnder Bearbeitungsgenauigkeit führen.

Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität

Funkenerosionsmaschinen können mit einem Bereich von ±1 bis ±5 Mikrometern sehr genau sein, je nach Qualität der Maschinen und Prozessoptimierung. In kontrollierten Umgebungen können sogar noch kleinere Toleranzen realisiert werden, insbesondere durch Drahterodieren.

Die Oberflächengüte ist beim Schruppen und Schlichten sehr unterschiedlich. Bei der Schruppbearbeitung erhält die Oberfläche eine strukturierte Oberfläche mit sichtbaren Kratern, während beim Feinschlichten eine spiegelglatte Oberfläche mit Rauheitswerten unter Ra 0,2 µm entsteht. Durch die Wahl geeigneter Parameter und Schlichtdurchgänge müssen jedoch die Bildung von Nachschmelzschichten und Mikrorissen in einem akzeptablen Rahmen gehalten werden.

Materialien, die bearbeitet werden können und nicht bearbeitet werden können

Die Funkenerosion schneidet jedes elektrisch leitfähige Material, ob hart oder weich. Typische Werkstoffe sind Werkzeugstähle, Formstähle, rostfreie Stähle, Titanlegierungen und Superlegierungen. Dadurch eignet sich die Funkenerosion besonders für gehärtete Bauteile, die auf herkömmliche Weise schwer zu bearbeiten sind.

Keramik, Kunststoffe und Glas sind nicht leitende Werkstoffe, die nicht mit herkömmlichen EDM-Methoden bearbeitet werden können, es sei denn, sie sind mit einer leitenden Beschichtung versehen. Die Leitfähigkeit des Materials ist die wichtigste Voraussetzung für die Funkenerzeugung.

Branchen, die auf EDM angewiesen sind

Die Funkenerosion findet vor allem in Branchen Anwendung, in denen es auf höchste Genauigkeit, komplizierte Geometrien und die Möglichkeit der Bearbeitung harter oder schwer zu bearbeitender Materialien ankommt. Sie ist vor allem dann wichtig, wenn andere Bearbeitungsverfahren aufgrund des Werkzeugverschleißes, geometrischer Zwänge oder sogar der Härte des Materials unwirksam sind.

Formenbau und Werkzeugbau

The biggest user of EDM technology is in the mold and die industry. Manufacturers use sinker EDM to make complex injection mold cavities, die-casting mold, and stamping die with high dimensional accuracy and fine detail. EDM allows making sharp internal corners and deep ribs, which are hard to make using milling or grinding. This makes it essential to create high-quality molds utilized in the processes of plastic injection molding, manufacturing of automotive parts, and production of consumer goods.

Luft- und Raumfahrtindustrie

Für aerospace component manufacturing, EDM is used extensively to machine components made from heat-resistant superalloys and titanium. These materials are notoriously difficult to cut using conventional methods due to their strength and thermal properties. EDM is suitable for machining turbine blades, fuel system parts, and high aspect ratio cooling holes. The possibility of drilling micro-holes with EDM is particularly useful in the development of internal cooling systems that enhance the performance and efficiency of the engine.

Autoindustrie

EDM is also relied upon in Automobilteilefertigung, both in tooling and production components. It serves to produce precision dies, fuel injection nozzles, transmission parts, and engine parts. With increased complexity in automotive design, EDM offers the flexibility to ensure strict tolerances and uniform quality at high production volumes.

Medizinische Industrie

EDM is heavily employed in medical device manufacturing to produce surgical equipment, orthopedic implants, and micro-components with very tight tolerances. It is applicable especially in the machining of biocompatible materials like titanium and stainless steel. Its non-contact characteristic ensures that the delicate features are not deformed, which is essential in components that are involved in minimally invasive surgery and implantable devices.

Vorteile von EDM

Die Funkenerosion bietet eine besondere Kombination von Vorteilen, die in der Hochpräzisionsfertigung nicht ignoriert werden können. Die Fähigkeit, sehr harte Werkstoffe wie gehärtete Werkzeugstähle, Karbide und Superlegierungen ohne Einbußen bei der Bearbeitungseffizienz zu bearbeiten, ist eine der größten Stärken des Verfahrens. Da es sich beim Erodieren um ein thermisches und nicht um ein mechanisches Verfahren handelt, hat die Materialhärte praktisch keinen Einfluss auf die Bearbeitbarkeit. Dadurch können die Hersteller das Werkstück nach der Wärmebehandlung endbearbeiten, ohne dass die Gefahr von Verformungen durch Nachhärtung besteht.

The next significant benefit is the capability to create extremely sophisticated geometries, which would be hard or impossible to produce with traditional machining. High precision machining is possible on features like deep cavities, narrow slots, sharp interior corners, and complex contours. Sinker EDM can be applied especially to mold cavities, whereas wire EDM can be used to cut complex profiles that have small tolerances.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist das Fehlen von Schnittkräften. Da es keine physikalische Wechselwirkung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück gibt, sind mechanische Verformungen, Ratterer oder werkzeugbedingte Spannungen nicht möglich. Dies macht das Erodieren besonders geeignet für empfindliche Bauteile und dünnwandige Strukturen. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren eine hohe Wiederholbarkeit und Konsistenz, was für die Massenproduktion von Präzisionsteilen entscheidend ist.

Wenn sie optimiert wird, bietet die Funkenerosion auch eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Die hochentwickelten Nachbearbeitungsmethoden ermöglichen spiegelglatte Oberflächen, so dass weniger oder gar keine zusätzlichen Poliervorgänge erforderlich sind. Die Produktivität moderner Erodiermaschinen wird auch durch die Automatisierung verbessert, die den unbeaufsichtigten Betrieb, den Elektrodenwechsel und die automatische Steuerung der Parameter ermöglicht.

Nachteile von EDM

Regardless of these benefits, EDM has a number of limitations that need to be taken into consideration. The major negative feature is that it has a relatively low rate of material removal compared to the traditional machining methods like CNC-Fräsen. This renders EDM unsuitable for bulk removal of material and more appropriate for finishing or a specialized task.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Funkenerosion nur bei elektrisch leitfähigen Materialien anwendbar ist. Dies schränkt den Anwendungsbereich ein und schließt die Verwendung von Materialien wie Kunststoffen, Keramik und Glas aus, es sei denn, es werden Hybridverfahren eingesetzt. Auch der Verschleiß der Elektroden ist ein Problem, insbesondere beim Senkerodieren, bei dem sich das Werkzeug während der Bearbeitung langsam abnutzt. Andernfalls kann dies die Maßgenauigkeit beeinträchtigen.

Die Herstellung der Elektroden, die Wartung der dielektrischen Flüssigkeiten und die niedrigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten können die Betriebskosten im Zusammenhang mit dem Erodieren ebenfalls erhöhen. Darüber hinaus muss das Verfahren sorgfältig parametrisiert und von geschultem Personal bedient werden, um es zu optimieren, insbesondere bei einer hochpräzisen Anwendung.

Häufige Defekte bei der Funkenerosion und einfache Lösungen

Obwohl es sich bei der Funkenerosion um einen sehr kontrollierten Prozess handelt, kann eine Reihe von Fehlern auftreten, wenn die Maschinenbedingungen nicht gut kontrolliert werden. Eine schlechte Oberflächengüte ist eines der am weitesten verbreiteten Probleme und kann durch übermäßige Rauheit oder ungleichmäßige Texturen gekennzeichnet sein. Dies geschieht normalerweise, wenn die Entladungsenergie während der Endbearbeitung zu hoch ist. Durch die Reduzierung des Entladungsstroms, die Minimierung der Pulslänge und die Maximierung des Pulsintervalls kann die Qualität der Oberfläche erheblich verbessert werden, indem kleinere und gleichmäßigere Krater erzeugt werden.

Ein weiteres häufiges Problem ist übermäßiger Elektrodenverschleiß, insbesondere beim Senkerodieren. Hohe Verschleißraten können zu einer Verzerrung der gewünschten Geometrie und zu Maßungenauigkeiten führen. Dies ist in der Regel auf eine ungeeignete Wahl des Elektrodenmaterials oder eine zu hohe Entladungsenergie zurückzuführen. Der Verschleiß kann durch die Verwendung von Werkstoffen wie Graphit oder Kupfer-Wolfram und die Optimierung der Bearbeitungsparameter minimiert werden. Bei kritischen Anwendungen können mehrere Elektroden verwendet werden, wobei die Schrupp- und Schlichtphasen mit separaten Werkzeugen durchgeführt werden.

Vergleich mit CNC-Bearbeitung und Schleifen

EDM differs fundamentally from CNC-Bearbeitung und Schleifen in that it is a non-contact process. While standard CNC machining services are quicker and more cost-effective for general manufacturing, but cannot cope with very hard materials and complicated internal shapes.

Das Schleifen eignet sich am besten für hohe Oberflächengüten und enge Toleranzen bei einfachen Geometrien, ist aber unflexibel. Die Funkenerosion befindet sich in einer besonderen Nische, in der sich Komplexität, Härte und Präzision überschneiden, und ist daher in der High-Tech-Fertigung unerlässlich.

Fortgeschrittene EDM-Technologien

Die neuesten Innovationen im Bereich der Funkenerosion sind das Spiegelerodieren und die 5-Achsen-EDM-Systeme. Das Spiegelerodieren ist auf die Feinstbearbeitung von Oberflächen in nahezu optischer Qualität spezialisiert, wodurch das Polieren minimiert bzw. überflüssig wird.

Five-axis EDM has the ability to provide multi-directional control, and thus complex geometries, undercuts, and free form surfaces can be machined. These technologies greatly increase the possibilities of EDM and bring it to the level of modern requirements of high-performance, precision-engineered parts.

Die Funkenerosion ist nach wie vor ein wichtiges Element im Fertigungsprozess, da sie eine Kombination aus Präzision, Flexibilität und der Fähigkeit zur Bearbeitung der schwierigsten Materialien und Geometrien in der modernen Fertigung bietet.

Referenzen

[1] Ho, K. H., & Newman, S. T. (2003). State of the art electrical discharge machining (EDM). International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43(13), 1287-1300. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(03)00162-7

[2] Ho, K. H., Newman, S. T., Rahimifard, S., & Allen, R. D. (2004). State of the art in wire electrical discharge machining (WEDM). International Journal of Machine Tools and Manufacture, 44(12-13), 1247-1259. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2004.04.017

[3] Ferraris, E., Castiglioni, V., Ceyssens, F., Annoni, M., Lauwers, B., & Reynaerts, D. (2013). EDM drilling of ultra-high aspect ratio micro holes with insulated tools. CIRP Annals, 62(1), 191-194. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2013.03.115