Aktiver Hammer, Teil 1

Das Video zum Gravieren von Metallen mit einem Aktiven Hammer, Teil 3

'Aktiver Hammer', Version 1

Aktive angesteuerter Hammer zum Funkenerodieren

Abbildung 1:
In den drei vorangegangenen Kapiteln habe ich die Möglichkeiten ausgelotet, die ein Wagnerscher Hammer bietet.
Die nächste Ausbaustufe besteht nun darin, die Funktion des Hämmerns über einen von einem Mikrocontroller angesteuerten Schrittmotor auszuführen. Der Schrittmotor bewegt dabei lediglich den Draht vor und zurück - die bewegte Masse ist somit sehr gering. An dem Schrittmotor befindet sich ein Stück Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 10mm, das ich mit einem Dremel aufgerauht habe, damit der Draht gut transportiert werden kann. Als Gegenlager dient ein Kugellager mit einem Außendurchmesser von ebenfalls 10mm. Dieses Kugellager wird über einen beweglichen Arm und eine Feder an die Walze des Schrittmotors gepresst.
Die Drahtführung erfolgt durch Messingröhrchen mit einem Außendurchmesser von 2mm. Da ich Draht mit einer Stärke von nur 0.2mm verwende, habe ich das untere Röhrchen zusammengequetscht. Beim Zusammenquetchen verhindert ein Stahldraht mit einer Stärke von 0.5mm, dass der Innendurchmesser des Messingröhrchens zu klein wird.

Elektronik

Abbildung 2:
Der Stromkreis läuft über das untere Messingröhrchen und somit über den daran schleifenden Elektrodendraht. Mit in dem Stromkreis befindet sich eine Spule und diese hat zwei Funktionen:
Wird der Stromkreis über das Werkstück geschlossen, so baut sich in der Spule eine Induktionsspannung auf, die der äußeren Spannung entgegen wirkt - der Strom steigt somit nicht abrupt, sondern relativ langsam an. Wird andererseits der Elektrodendraht angehoben und die elektrisch leitende Verbindung zum Werkstück unterbrochen, so bewirkt die Induktionsspannung nun, dass der dabei entstehende Funke etwas länger aufrecht erhalten wird.

Die Ansteuerung des Schrittmotors erfolgt über einen ATmega328 Mikrocontroller mit einem A4988 Schrittmotortreiber. Damit der Mikrocontroller feststellen kann, ob der Draht das Werkstück berührt oder eben nicht, befindet sich ein Sensor in dem Stromkreis - dieser kann Ströme bis 30A messen.
Beim Versuch mit 12V Arbeitsspannung zu gravieren, hat sich die erste Spule als zu klein (mit zu nierdiger Induktivität) erwiesen, weshalb ich statt der ursprünglich 50 Windungen nun das etwa drei bis vierfache an Kupferlackdraht durch den Ferritkern gezwängt habe. Jaaa, ich weis, dass ich damit höchstwahrscheinlich weit vom magnetischen Sättigungswert des Ferritkerns entfernt bin, allerdings von der falschen Seite. Sei's drum, damit funktioniert mein Versuchsaufbau zumindest auch an 12V.

Die Logik der Software des Mikrocontrollers arbeitet recht simpel:
Meldet der Sensor, dass kein Strom fließt, so wird der Draht nach unten bewegt. Fließt hingegen ein Strom, so wird der Draht nach oben bewegt.

Bekannte Schwachpunkte

Abbildung 3:
Hier ist ein neues Stück 0.2mm Wolframdraht unter dem Mikroskop zu sehen...

Wolfram Elektrode nach dem Funkenerodieren

Abbildung 4:
...und hier das gleiche Material nach der 12V Tortur.
Ich muss in der nächsten Ausbaustufe dafür sorgen, dass ein wohl definierter Kontakt zwischen Vorschubmechanik und Elektrodendraht besteht. In dem Messingröhrchen springen Funken unkontrolliert auf den Draht über und bewirken eine unerwünschte Erosion der Elektrode schon bevor diese das Werkstück berührt.

Abbildung 5:
Wenn man sich die Rolle für den Drahtvorschub auf der Welle des Schrittmotors genau ansieht, ist zu bemerken, dass diese den Draht scheinbar schneller nach unten schiebt als es durch den Elektrodenabbrand der Fall sein kann. Ursache ist, dass der Draht so stark auf das Werkstück gehämmert wird, dass sichtbarer Schlupf an der Transportrolle auftritt - das ist ebenfalls nicht gut für den Elektrodendraht.

Abbildung 6:
Ferner walzen die beiden Stahlrollen des Vorschubmechanismus den Draht platt und diese Scherkräfte bewirken, dass dieser zum Teil gespalten wird. Eine schonendere Mechanik zum Drahtvorschub muss her.

HomoFaciens Coin

Abbildung 7:
Die hier zu sehende Gravur wurde mit 5V und der Spule mit der höheren Induktivität ausgeführt. Die "Münze" besitzt einen Durchmesser von 20mm, die Grafik ist 15x16mm klein Auf der Rückseite ist der Zeitstempel der Herstellung graviert mit einer Ziffernhöhe von 2.2mm. Graviert wurde mit 0.2mm Wolframdraht als Elektrode.
Wenn ihr eine derartige "HomoFaciens Coin" erwerben möchtet, um euch einen genauen Eindruck davon zu verschaffen, wie gut die Gravur ist:
Ihr könnt mich in meinen Experimenten finanziell unterstützen und erhaltet für Spenden ab 15,-€ (wenn gewünscht, Postadresse per Mail an mich nicht vergessen) als Dankeschön eine derartige "Münze".

Abbildung 8:
Die Gravur der hier zu sehenden "HomoFaciens Coin" hat mit einem Vorschub von nr 0.1mm/s fast eine Stunde gedauert und geht somit nicht in die Serienfertigung - wer Interesse daran hat, macht mir ein Angebot.

Abbildung 9:
Die Linien sind hier unter dem Mikroskop im Vergleich zu einem Stück des als Elektrode verwendeten 0.2mm Wolframdrahtes zu sehen.

Nach einigen Stunden hat sich eine goldbraune Schicht in den Linien gebildet. Woraus diese nun genau besteht, kann ich nicht sagen. Möglich wären Ablagerungen von Messing oder die Bildung einer "Legierung" mit Bestandteilen des Wolframdrahtes oder der gute alte Rost.

Download

Die 3D Dateien habe ich mit OpenSCAD erstellt. Die Originaldatei und alle Teile im STL Format, sowie den Arduino Sketch gibt's als Download-Paket. Als Material für den 3D Druck habe ich PET-G verwendet.

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