Funkenerodiermaschine: Einführung

Das Video einer ersten, experimentellen Funkenerodiermaschine

Über die Maschine

Abbildung 1:
Hier zu sehen ist mein erster, sehr experimenteller Versuchsaufbeu einer Funkenerodiermaschine. Als Mechanik kommt eine einfache CNC-Maschine zum Einsatz, die ich auf meinem 2. Projekt "How Open Is This Gadget?" im Detail vorgestellt habe.

Abbildung 2:
In Sachen Mechanik habe ich lediglich einen Schleifkontakt an der Werkzeughalterung des Fräßmotors angebracht und das Motorgehäuse mit Klebeband vom Rest der Mechanik elektrisch isoliert.
An diesem Schleifkontakt liegt die Masse des Stromkreises an. Die +30V-Leitung führt über eine Schraube zur Werkstückhalterung und darüber zum Werkstück.

CNC-Maschine per Arduino IDE programmieren

Abbildung 3:
Die Firmware - im Original wird grbl verwendet - ist durch ein paar Zeilen selbst geschriebenem Code ersetzt worden - wie das geht, habe ich in einem vorangegangenen Kapitel gezeigt.

Funktionsweise, Kurzversion

Funkenerodieren, Bohren durch gehärteten Stahl

Abbildung 4:
Wie funktioniert Funkenerosion?
Nun, der Bohrer wird langsam an die Oberfläche der Rasierklinge herangeführt. In dem Stromkreis, bestehend aus dem geladenen Elektrolytkondensator, den Kupferleitungen, dem Spannfutter und dem Bohrer aus Stahl, sowie der Luft zwischen Bohrerspitze und Materialoberfläche, besitzt letztere den mit Abstand höchsten Widerstand. Es fließt so gut wir kein Strom aus dem Kondensator ab.
Ist der Luftspalt allerdings sehr klein, springt irgendwann ein Funke über und das bevor der Bohrer die Rasierklinge berührt. Zu dem Prozess der Funkenbildung ist viel zu sagen, das werde ich in einem späteren Kapitel genauer beleuchten - zur Elektrostatik habe ich bereits ein Video im Angebot. Die Kurzversion lautet: Funke ist ein Plasma, Plasma leitet elektrischen Strom sehr gut und Plasma ist so heiß, dass Teile der Rasierklinge schmelzen oder sogar verdampfen. Dadurch wird ein wenig Material der Rasierklinge erodiert, also abgetragen.
Erhalten wir das Plasma also aufrecht, bis das Loch die gewünschte Tiefe hat?
So einfach geht das aus Gründen, die ich in späteren Kapiteln weiter vertiefen möchte, leider nicht - das Plasma muss wieder zum Erlöschen gebracht werden. Das geschieht zum einen dadurch, dass sich der Elektrolytkondensator entlädt, womit die Ausgangsspannung sinkt und zum Anderen dadurch, dass der Bohrer wieder angehoben wird. Irgendwann ist das elektrische Feld zwischen Bohrerspitze und Rasierklinge so klein, dass das Plasma zusammenbricht und der Funke wieder erlischt.
Der Prozess beginnt nun von Vorne: Der Kondensator wird wieder geladen und der Bohrer abgesenkt. Mit jedem Zyklus wird weiteres Material abgetragen, bis die Rasierklinge irgendwann durchbohrt ist.
Mein Versuchsaufbau funktioniert - prinzipiell.

Funkenerodiermaschine, berührunsloses Bohren

Abbildung 5:
Fast berührungslos durchdringt der Bohrer ein sehr hartes Metall, das dieser auf klassische Art maximal ein wenig ankratzen kann. Beim Bohren eines weiteren Loches ist die Rasierklinge nur an einem Ende festgeklemmt, um zu zeigen, dass der Bohrer den Stahl maximal ein wenig streichelt.

Elektronik

Step-Up Konverter der Funkenerodiermaschine

Abbildung 6:
Die 30V Gleichspannung werden von einem sehr improvisierten Step-Up-Konverter aus einer Eingangsspannung von nicht ganz 12V generiert.
Kernkomponenten der Schaltung sind ein Elektrolytkondensator, der auf die Ausgangsspannung geladen wird, eine selbstgewickelte Ringkernspule, welche durch Ein- und Ausschalten per Induktionsspannung die Eingangsspannung auf den gewünschten Wert erhöht, ein N-Kanal MOSFET, über den der Stromfluss durch die Spule gesteuert werden kann und eine Diode, welche bewirkt, dass die höhere Ausgangsspannung von der niedrigeren Eingangsspannung isoliert ist.
Das Ein- und Ausschalten des MOSFETS und somit des Spulenstromes wird von einem Mikrocontroller-Board mit ATmega328P Chip übernommen. Auch dessen Firmware besteht lediglich aus ein paar Zeilen Code, die dafür sorgen, dass der Kondensator nur bis zur vorgesehenen Endspannung geladen wird.
Über einen Pin kann ein Signal an die CNC-Maschine ausgegeben werden, das anzeigt, ob die Ausgangsspannung erreicht wurde oder eben nicht.

Abbildung 7:
Schaltplan des sehr improvisierten Step-Up Konverters. Der Nachbau dieser Schaltung empfielt sich nur für extrem experimentierfreudige Zeitgenossen!
C1 = 2200μF, 50V
C4 = 10nF
Q1 = IRF9540N
Q2 = IRF540N
Q3-5 = BC337
D1,2 = SB5100
D3 = 4.5V Zener
R1-5 = 1.5kΩ
R6 = 5.1kΩ
R7 = 100kΩ

Software/Download

Das Setup in diesem Kapitel ist äußerst experimenteller Natur. Ich biete an dieser Stelle den Schaltplan und die von mir Quick & Dirty geschriebene Firmware als Download-Paket an, das Ganze ist aber nur für Leute, die wirklich wissen wie man programmiert und was ein Step-Up Konverter ist.

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