Funkenerodiermaschine: Spülen

Das Video zu den Effekten von Spülen beim Funkenerodiren

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Funkenbildung in Luft

Abbildung 1:
Zu sehen ist hier ein Standbild aus dem Video, baim Überspringen eines kräftigen Funkens:
Ausgehend von der Bohrerspitze spritzt das herausgerissene Material nach allen Seiten weg. Dabei ist in dem Video nur ein einzelnes Bild, dass das Wegspritzen zeigt. Sowohl auf dem Standbild davor als auch dahinter, ist kein einziger Funke mehr zu erkennen.
Y Wir wollen das Funkenerodieren ja wissenschaftlich betrachten, machen wir also mal eine ganz grobe Abschätzung, wie schnell die Metallpartikel durch die Luft sausen:
Aufgenommen wird mit 25 Bildern pro Sekunde, wir betrachten also eine Flugzeit von 40 Millisekunden. Die Rasierklinge ist etwa 50mm lang. Die nach links und rechts wegfliegenden Partikel legen mit diesem Maßstab eine Strecke von etwa 40mm zurück, bevor diese aus dem Bild fliegen. Die Rechnung ist simpel und wir erhalten eine Geschwindigkeit von mehr als 1 m/s.
Auffällig ist auch, dass sich viele Strahlen nach einer gewissen Flugstrecke aufteilen - die Metallpartikel zerstäuben in der Luft.

Luftkühlung

Abbildung 2:
Meinem experimentellen Aufbau habe ich daher als erstes eine Luftkühlung verpasst. Die verwendete Pumpe ist für den Einsatz beim Laserschneiden konzipiert und mit einer elektrischen Eingangsleistung von 24W nicht übermäßig leistungsstark, der Luftdurchsatz ist jedoch ausreichend, um eine M3er Mutter mühelos wegzupusten.

Funkenerodieren, mit Luftkühlung, 1. Standbild

Abbildung 3:
Zu sehen ist in diesem Standbild, dass die Funken überwiegend nach links wegfliegen, nach rechts sind so gut wie keine Partikelstrahlen zu erkennen. Die herausgerissenen Partikel werden von dem Luftstrom mitgerissen.

Funkenerodieren, mit Luftkühlung, 2. Standbild

Abbildung 4:
Ein zweites Standfoto zeigt allerdings, dass diese Luftkühlung nicht perfekt funktioniert:
Bei einem besonders starken Funken knicken viele Strahlen erst nach einer deutlich sichtbaren Flugstrecke entgegen dem Luftstrom ab. Die Geschwindigkeit der Partikel ist anfangs offensichtlich deutlich höher als die des Luftstrahles.

Abbildung 5:
Durch das Einblasen von Luft wird dem Prozess mehr Sauerstoff zugeführt, was dazu führt, dass der blanke, flüssige Stahl zum Teil regelrecht verbrennt. Die Bohrung ist daher bereits nach nur 58 Schüssen abgeschlossen - ohne den Luftstrom wurden 99 Schüsse benötigt.
Das entstandene Loch ist nach wie vor nicht perfekt, aber etwas runder als beim Versuch ohne Luftstrom. Rund um das Loch sind rostrote Ablagerungen zu sehen. Der Durchmesser liegt ebenfalls bei etwa 1.4mm.

Wasserkühlung

Abbildung 6:
Für die in den folgenden Versuchen zum Einsatz kommende Wasserkühlung habe ich aus Kunststoffplatten eine Wanne zusammengeklebt. Gefüllt wird diese mit deionisiertem Wasser, das eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt als Leitungswasser. Warum das Kühlmittel elektrischen Strom möglichst nicht leiten sollte und welche Mittelchen in Frage kommen, dazu werde ich in späteren Kapiteln mehr erzählen. In die Wanne passen etwa 2L Flüssigkeit.

Abbildung 7:
Für Unterwasser-Mikroskopie musste ich die Wanne ein wenig erweitern und an dem Objektiv eine Röhre mit Glasboden anbringen.

Abbildung 8:
Auffällig ist, dass die Funken in dem Wasser eine wesentlich kleinere Flugstrecke zurücklegen als in Luft. Die Dichte von Wasser ist etwa 800 mal höher als die von Luft, entsprechend werden die herausgerissenen Metallpartikel deutlich stärker abgebremst. Ferner ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser um den Faktor 4 höher, was dazu führt, dass die umherfliegenden Partikel schneller abgekühlt werden und somit früher aufhören zu leuchten.
Verursacht durch das Wasser laufen weitere chemische und physikalische Prozesse beim Funkenerodieren ab. Neben Elektrolysevorgängen ist zu beachten, dass in Wasser weniger Sauerstoff gelöst ist, was die Oxitation der Metallpartikel beeinflusst. Dann wird Wasser durch die Hitze des Plasmas verdampft, wozu ein Teil der ansonsten auf das Werkstück übertragenen Energie benötigt wird. Der Wasserdampf kondensiert aber beim Zusammenbrechen des Plasmas ebenso schlagartig wieder, was die somit nur zwischengespeicherte Energie zumindest teilweise auf das Metall überträgt und somit zur Erosion beiträgt.

Abbildung 9:
Zu sehen ist, dass Gasblasen an der Oberfläche haften. Wegen der Gasblasen ist das Medium - in diesem Fall das entionisierte Wasser - nicht homogen, was einen Einfluss auf die Funkenbildung hat. Die Entstehung der Gasblasen kann nicht verhindert werden, es sollte jedoch dafür gesorgt werden, dass sowohl diese wie auch die aus der Rasierklinge herausgerissenen Partikel von der Bohrung wegtransportiert werden.
Nach 69 Schüssen ist die Bohrung unter Wasser abgeschlossen - dieser Wert liegt zwar über dem der Luftkühlung, aber ebenfalls deutlich unter dem Wert ohne jegliche Kühlung.

Abbildung 10:
Nach dem Abwischen der Luftblasen zeigt sich, dass nur ein kleiner Bereich rund um den Rand des Loches verfärbt ist. Der Durchmesser ist etwas größer als bei den vorangegangenen Versuchen in Luft.

Spülen mit Wasser

Abbildung 11:
Für den nächsten Versuch habe ich die Pumpe der Scheibenwaschanlage aus einem PKW montiert, um die Bohrstelle mit Wasser zu spülen. Bezogen habe ich die Pumpe vom Schrotthändler um die Ecke für 5,-€. Damit das Wasser nicht allzu sehr spritzt und die Pumpe beim Dauerbetrieb nicht überhitzt, wird diese mit nur 3.3V Spannung betrieben.

Abbildung 12:
Nach 122 Schüssen ist die Bohrung schließlich vollendet, der höchste Wert der Versuchsreihe. Der Durchmesser ist mit dem Versuch ohne Pumpe vergleichbar, der Rand sieht aber etwas runder und sauberer aus.
Offensichtlich wird mit dem Flüssigkeitsstrom auch eine gute Portion der Funkenenergie, die bei den vorangegangenen Versuchen zur Erosion beigetragen hat, weggespült. Dass ein geringerer Energieübertrag pro Funke zu besseren Ergebnissen führt, dazu wird's in den Kapiteln zur Elektronik mehr zu erzählen geben.

0.5mm "Tiefenbohrung"

Abbildung 13:
Kommen wir damit zum Bohren durch eine 0.5mm Klinge, die 5x dicker ist als die bislang durchbohrte Rasierklinge:
Diese "Tiefenbohrung" wird durch die Flüssigkeitsspülung extrem beschleunigt. Während der größte Teil des aufgeschmolzenen Metalls ohne Spülung immer wieder erneut in dem Bohrloch erstarrt ist, wird dieses durch den Flüssigkeitsstrom nun effektiv abtransportiert. Auch die Rissbildung aufgrund dieses ständigen Aufschmelzens und wieder Erstarrens ist nicht mehr zu beobachten. Neben dem Abtransportieren des erodierten Metalls führt auch die kühlende Wirkung des Wassers zu einem besseren Ergebnis.

Abbildung 14:
Anstelle der ursprünglich 7617 Schüsse ist die Bohrung nun nach lediglich 530 Schüssen beendet - nun geht die Rechnung auf, dass für eine 5x tiefere Bohrung auch nur die fünffache Zeit benötigt wird.

Der Bohrer

Abbildung 15:
Die Spitze des Bohrers nach den Experimenten.

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