Funkenerodieren mit einem Schweißgerät

Das Video zum Funkenerodieren mit einem Schweißgerät

Über die Maschine

Funkenerodiermaschine mit einem Schwei&szig;gerät

Abbildung 1:
Nachdem ich in meiner Serie zum Thema Funkenerodieren zuvor mehr die Theorie hinter dieser Technik erläutert habe, mache ich nun einen großen Schritt in Richtung praxistaugliche Maschine. Wie üblich gehe ich dabei aber nach wie vor einen eher unkonventionellen Weg, um harte Metalle mit eher "weichen" Maschinen zu bearbeiten. Hier bearbeite ich Stahlblech mit Hilfe der Mechanik eines alten 3D-Druckers und eines preisgünstigen Schweißgerätes.
Noch ist die Maschine alles andere als ausgereift, aber zumindest funktioniert damit das Bearbeiten von Stahl schon mal prinzipiell. Daher gibt's in diesem Kapitel erstmal nur eine grobe Beschreibung. Eine Nachbauanleitung, welche den Namen auch verdient, gibt's in einem folgernden Kapitel. Ziel ist es, eine für meine Zwecke ausreichend brauchbare, dabei aber einfach nachzubauende Maschine zur Stahlbearbeitung zu entwickeln - nicht mehr, aber auch nicht weniger.

Die Mechanik basiert auf einem ausgemusterten Creality CR-10 Drucker, der eine Fläche von etwa 30x30cm bearbeiten kann. Auf dem Druckbett befindet sich eine Wanne aus 2mm Acrylglas-Platten.

Schweißgerät

Abbildung 2:
Mit dem von mir erworbenen Mecpow Gerät, das Schweißströme bis zu 120A liefert, funktioniert das Erodieren in der niedrigsten Einstellung von nur 10A. Zum Funkenerodieren wird das Gerät im Modus "MMA" betrieben, der seitens des Herstellers zum Elektroden- oder Lichtbogenschweißen gedacht ist. Bei offenem Stromkreis liegt eine Gleichspannung von etwa 64V zwischen den beiden Elektroden. Wird der Stromkreis geschlossen, so wird per Pulsweitenmodulation sichergestellt, dass maximal der vorgewählte Strom fließt - das digitale Multimeter zeigt folglich eine niedrigere Spannung von nur noch 0.13V an. Somit kann das Schweißgerät als kurzschussfeste Gleichspannungsquelle angesehen werden.

Abbildung 3:
Wird die Elektrode sehr nahe an das Werkstück herangeführt, so springt irgendwann ein Funke über und der Stromkreis wird über das Plasma geschlossen. Über die Vorgänge an sich habe ich in den vorangegangenen Kapiteln zur Serie ausführlich gesprochen, daher hier nur die Kurzversion:
Durch das Plasma des Funkens schmelzen die Metalle von Elektrode und Werkstück. Während beim Schweißen Material aufgetragen wird, ist unser Ziel hingegen, Material abzutragen. Beim Schweißen schmilzt überwiegend das Metall der Elektrode ab und erstarrt wieder auf dem Werkstück. Durch den Wasserstrahl bei meiner Funkenerodiermaschine wird das geschmolzene Material hingegen weggespült und somit überwiegend von dem Werkstück, aber auch von der Elektrode abgetragen.
Als Elektrode verwende ich einen 1.6mm durchmessende Stab aus Wolfram.

Abbildung 3:
Nach etwa 110 Sekunden ist ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 1.9mm in den 2mm dicken Stahl erodiert worden. Die Bohrung ist alles in allem schön rund, die Kanten sind aber nicht "aalglatt". Ebenfalls in vorangegangenen Kapiteln hatte ich gezeigt, dass die Kanten um so glatter sind, je niedriger die pro Funke übertragene Energie ausfällt. Nachteilig bei dem Schweißgerät ist, dass ich bereits die niedrigste Einstellung von 10A gewählt habe. Um glattere Kanten zu erhalten, müsste die Elektronik des Gerätes manipuliert werden, was ich eventuell in späteren Ausbaustufen dieser Funkenerodiermaschine machen werde.

Abbildung 5:
Insgesamt 512 Löcher benötige ich für ein Sieb zur Herstellung von Kunststoffpulver für meinen Granulat 3D-Drucker. Der Lochabstand beträgt 5mm. Das 0.5mm Stahlblech wurde problemlos durchbohrt, obwohl dieses alles andere als gut fixiert war. Die Kraftwirkung auf die Achsen der Druckermechanik und das Werkstück sind vernachlässigbar, was der grüßte Vorteil des Funkenerodierens ist.

Bei genauer Betrachtung des fertigen Siebes ist zu sehen, dass nicht alle Bohrungen mit dem gewünschten Durchmesser gesetzt wurden - einige Löcher sind deutlich kleiner. Der Grund hierfür ist, dass nicht nur das Werkstück, sondern auch die 1.6mm durchmessende Elektrode aus Wolfram von den Funken erodiert wird, was unter dem Mikroskop deutlich zu sehen ist. In vorangegangenen Kapiteln hatte ich auch diesen Umstand schon mehrfach angesprochen. Problematisch ist, dass die Elektrode nicht gleichmäßig erodiert, sondern dass sich an dem ursprünglich stumpfen Ende eine Spitze ausgebildet hat. Von Zeit zu Zeit habe ich den Bohrvorgang angehalten und die Elektrode manuell weiter nach unten geschoben, um die Erosion auszugleichen.

Abbildung 6:
Die Elektrode durch das Mikroskop.

Elektronik

Abbildung 7:
In Sachen Elektronik verwende ich neben dem Schweißgerät einen Arduino Mega mit aufgestecktem Ramps Board in Version 1.4. - beide Komponenten sind weit verbreitet und einfach zu beziehen. Ein altes Computernetzteil liefert die 12V für diese Komponenten und die Schrittmotoren.

Abbildung 8:
Die Wasserpumpe entstammt dem 3D Drucker, der Antriebsmotor einem alten Tintenstrahldrucker.

Abbildung 9:
Als Rückmeldung von dem Schweißgerät wird lediglich die Ausgangsspannung über eine 3V Zenerdiode mit einem 15 Kiloohm Vorwiderstand gemessen. Sobald von der Elektrode ein Funke zu dem Werkstück überspringt, setzt die Pulsweitenmodulation ein und über einen Digitalpin wird die fallende Flanke des entstehenden Signals erfasst. Da das Schweißgerät aber auch ohne Funkenbildung von Zeit zu Zeit die Spannung kurz unterbricht, ist diese Art der Rückkopplung nicht so eindeutig wie sie sein sollte. Aber auch hier gilt: Zwar nicht optimal, aber ausreichend gut und einfach zu implementieren.

Was die Maschine sonst noch machen soll

Abbildung 10:
Neben dem Bohren von Löchern können mit der Wolframelektrode Bauteile aus dem Stahlblech geschnitten werden.

Abbildung 11:
Für runde Teile habe ich eine kleine Drehbank implementiert.

Nachbauanleitung

Eine brauchbare Nachbauanleitung gibt's, sobald die vorgesehenen Verbesserungen implementiert sind. Wer mich in der Entwicklungsarbeit unterstützen möchte, kann mir gerne eine finanzielle Motivationsspritze zukommen lassen. Vielen Dank an all die großartigen Menschen, die davon schon Gebrauch gemacht haben!

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