Funkenerodiermaschine: Elektronik, Einführung

Das Video zur Elektronik der Funkenerodiermaschine

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Aufwärtswandler

Abbildung 1:
In diesem Kapitel zum Thema Funkenerodieren möchte ich einen genaueren Blick auf die Elektronik werfen und die Kernpunkte für künftige Verbesserungen ansprechen. Wie im ersten Kapitel bereits gezeigt, handelt es sich bei der Schaltung um die rustikale Version eines aus Kupferdrähten zusammengehaltenen Aufwärtswandlers. Gespeist wird dieser von einer 12V Gleichspannung aus einem alten Computer-Netzteil und daraus wird eine Ausgangsspannung von bis zu 40V generiert.

Abbildung 2:
Die Ringkernspule wird über einen MOSFET abwechselnd "geladen", indem diese parallel zur Eingangsspannung geschaltet wird...

Aufwärtswandler, entladen derSpule, laden des Kondensators

Abbildung 3:
...und anschließend schlagartig wieder von dieser getrennt, womit der Entladevorgang startet. Die Induktionsspannung der Spule addiert sich nun zur Eingangsspannung und lädt somit den Kondensator über eine Diode auf eine Spannung höher als die Eingangsspannung.
Dieser Zyklus wird mehrfach durchlaufen, bis die gewünschte Ausgangsspannung erreicht ist. Die Schaltung des MOSFET und die Überwachung der Kondensatorspannung übernimmt ein Mikrocontroller-Board Typ ATmega328.

Abbildung 4:
Ist der Kondensator auf die vorgesehene Endspannung geladen, so kann ein "Schuss" für das Funkenerodieren erfolgen.

Ändern der Kapazität

Abbildung 5:
Für den ersten Versuch habe ich die Schaltung so wie in den vorangegangenen Kapiteln beassen und eine Ausgangsspannung von 30V verwendet. Nach insgesamt 115 Schüssen ist die Bohrung beendet.

Abbildung 6:
In vorangegangenen Kapiteln hatte ich ja bereits angesprochen, dass weniger mehr sein kann. Ich habe den Kondensator daher für diesen Versuch durch ein kleineres Exemplar mit nur 1000μF ersetzt. Mit diesem Bauteil ist die Bohrung nach 156 Schüssen abgeschlossen, anstelle der 115 Schüsse mit dem mehr als doppelt so großen Kondensator.

Abbildung 7:
Mit einen 470μF Kondensator werden 342 Schüsse für die Bohrung benötigt.

Abbildung 8:
Als letzten Kondensator habe ich ein Exemplar mit 220μF verwendet, was einem Zehntel der Kapazität des ersten Kondensators entspricht. Damit werden 503 Schüsse für die Bohrung benötigt, was deutlich weniger ist als das zehnfache des zehnmal größeren Kondensators - auch hier zeigt sich, dass in Sachen Funken nicht alles so geradlinig verläuft, wie vielleicht gedacht.
Beim fertig gebohrten Loch ist zu sehen, dass sich mit dem kleineren Kondensator an den Rändern nicht so dicke Tropfen aus wieder erstarrtem Metall gebildet haben. Ferner fällt die Bohrung insgesamt etwas runder aus.

Ändern der Polung

Bohrung mit 220μF Kondensator, 30V, vertauschte Polung

Abbildung 9:
In dem vorangegangenen Kapitel hatte ich gezeigt, dass Funken nicht in gleicher Weise auf beide Elektroden wirken. Ändern wir daher als nächstes die Polung:
Nun ist Masse an dem Werkstück und die +30V Spannung an dem 1mm Bohrer. Für die Bohrung werden nun 825 Schüsse, also mehr als mit der ursprünglichen Polung benötigt.
Ferner ist zu sehen, dass die Riefen der Metalloberfläche der Rasierklinge verschwinden - hier bilden sich hellgraue Ablagerungen. Neben den Funken tragen auch Redoxreaktionen zu einer Veränderung des Metalles bei. Bildet wie hier, das Werkstück die Kathode, so sorgt der Überschuss an Elektronen dafür, dass sich Metallionen aus dem Wasser als elementares Metall auf dem Werkstück abscheiden. Stahl besteht nicht nur aus Eisen und die Wassermoleküle tun ihr übriges, dass eine ganze Reihe von Redoxreaktionen unvermeidlich abläuft.
Der Durchmesser der fertigen Bohrung ist etwas kleiner, aber nicht weil die Funkenlücke kleiner ausfällt,...

Bohrung mit 220μF Kondensator, Bohrer kossosion

Abbildung 10:
...sondern weil der Bohrer dünner geworden ist.
An der Anode oxidiert das Eisen und Metallionen gehen in Lösung. Diese Redoxreaktionen laufen nicht im Plasma der Funken ab, sondern an der gesamten Oberfläche des Bohrers, die in das Wasser eintaucht - deutlich ist eine rostrote Schicht auf der Oberfläche des Bohrers zu erkennen.
Zum Problem der Erosion der Werkzeug-Elektrode gibt's in kommenden Kapiteln noch viel zu erzählen.

Ändern der Spannung

Abbildung 11:
Erhöhen wir als nächsten Parameter die Spannung, mit welcher der Kondensator geladen wird auf nun 40V.
Die im Kondensator gespeicherte Energie steigt quadratisch mit der Spannung. Mit dem 220μF Kondensator werden nun nur noch 262 Schüsse benötigt, um die Rasierklinge zu durchbohren.

Bohrung mit 220μF Kondensator, 40V auf 20V

Abbildung 12:
Hohe Energie pro Schuss bedeutet, dass mehr Material abgetragen wird, die Kanten allerdings weniger glatt ausfallen. Mit geringerer Energie dauert's länger, die Ergebnisse werden aber präziser. Wer Software schreiben kann, ist somit klar im Vorteil:
In diesem Experiment werden die ersten 180 Schüsse mit einer Spannung von 40V durchgeführt, um schnell bohren zu können. Danach wird auf eine Spannung von nur 20V umgeschaltet, womit die Kanten der Bohrung runder und glatter ausfallen. Nach insgesamt 544 Schüssen ist diese Bohrung die bislang präziseste.

Schnelle Funkenfolge

Abbildung 13:
Da ich den Bohrvorgang nach jedem Schuss unterbrochen habe, um ein Foto mit meinem Mikroskop aufzunehmen, war die Geschwindigkeit, mit welcher der Kondensator geladen wird, bislang nicht von Bedeutung. In der Praxis möchte man allerdings möglichst viele Funken pro Zeiteinheit generieren, um ein Werkstück möglichst schnell bearbeiten zu können. Die Geschwindigkeit, mit welcher ein gegebener Kondensator geladen wird, hängt von der Schaltfrequenz und der Induktion der verwendeten Spule ab.
Als letzte Modifikation verwende ich nun eine Spule mit weniger Windungen aus dickerem Kupferlackdraht. Somit sinken der ohmsche Widerstand und die Induktivität der Spule.
Mit einer Grundfrequenz von 8000Hz kann diese Spule so angesteuert werden, dass der MOSFET gerade so nicht durchbrennt.

Bohrung mit 2200μF Kondensator, 40V, schnelle Pulsfolge

Abbildung 14:
Die Wärmebildkamera macht die Schaltverluste meines allzu simplen Elektronik-Designs deutlich sichtbar - die MOSFETS sind klar auszumachen. Die Spule bleibt zumindest in diesem Versuch völlig cool.

Abbildung 15:
Die Endspannung von 40V wird problemlos erreicht - viel mehr verträgt der Elektrolytkondensator nicht. Die Bohrung ist mit diesem Setup nach nur 60 Sekunden und 245 Schüssen abgeschlossen.

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