Elektropolieren mit anpassungsfähiger Gegenelektrode – glattere Oberflächen bei komplexen Bauteilen

Mit Hilfe einer anpassbaren, flexiblen und vielgliedrigen Kathode kann bei einem metallischen Bauteil mit komplexer Geometrie ein verbessertes und glatteres Ergebnis beim elektrolytischen polieren der Oberflächen erreicht werden.

• Nachbearbeitung bei komplex geformten Bauteilen wird vereinfacht
• Keine aufwendige, spezifische Anpassung der Kathode an das Bauteil mehr notwendig
• Durch flexible, bewegliche Kathode gleichmäßiger Abstand der Gegenelektrode in allen Bereichen des Bauteils gewährleistet
• Dadurch glatte Oberfläche und gleichmäßig dicker Abtrag am Werkstück
• Die Schwingfestigkeit und die Lebensdauer der additiv gefestigten Bauteile werden verlängert 

In allen Bereichen der additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere mit einer komplexen Geometrie, bei denen elektrolytisches Polieren benötigt wird.

Bei der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen ist die Oberfläche meist rau und muss geglättete werden, um die Optik zu verbessern, aber auch um u.a. die Schwingfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. Für den Abtrag werden statt mechanischer meist elektrochemischer Verfahren (elektrolytisches polieren) eingesetzt. Um eine gleichmäßig glatte Oberfläche zu erhalten muss die Gegenelektrode (Kathode) einen definierten Abstand zur Bauteiloberfläche (=Anode) aufweisen und die Innnenkonturen des Bauteils dürfen vom elektrischen Feld nicht abgeschattet sein, d.h. das Bauteil darf nicht wie ein Faraday´scher Käfig wirken.  Folgen wären sonst eine zu geringer bis keinen Abtrag der Oberfläche bei einem zu großen Abstand der Kathode zum Bauteil (Oberfläche bleibt rau) oder einen zu hohen Abtrag bei einem zu geringen Abstand der Kathode zum Bauteil.

Diese Probleme versucht man aktuell dadurch zu lösen indem einfach „Kathodenstäbe- oder bleche“ verwendet werden oder man die Gegenkathode, angepasst an das zu polierende additiv gefertigte Bauteil, druckt. Dafür sind ein erheblicher Werkstoffeinsatz und eine gewisse Maschinenverfügbarkeit notwendig. Auch müssen entsprechende Geometriedaten zu Bauteil bekannt sein. Eingesetzt werden können diese Methoden deshalb nur bei relativ grobgliedrigen Bausteilen ohne Hinterschneidungen. Bei geringen Spalten /Abständen kann ein konstanter Abstand des Bauteils zur Kathode nicht gewährleistet werden. In der Folge wird der Abtrag von der Oberfläche zu ungleichmäßig. 

Wünschenswert wäre daher eine Methode bei der die Bauteile individuell, ohne Kenntnis der Oberflächengeometire, schnell, flexibel, mit Hinterschneidungen etc. bearbeitet werden können und die bei der der Vorteil der Geometriefreiheit des additiven Fertigungsverfahrens erhalten bleiben kann.

Am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart haben Forscher jetzt eine Methode entwickelt, die die oben genannten Probleme einfach löst. Statt eine starr an das Werkstück angepasste Kathode zu verwenden, setzten die Wissenschaftler eine flexible, mehrgliedrige Kathode ein, die aus leitfähigen Strängen / Segmenten (Kabel, Kette, Drähte, Kugeln, Schläuchen etc.) besteht und mit einem flexiblen, nichtleitenden, mit Öffnungen versehenen Schutzmantel ummantelt ist. Um Kurzschlüsse zu vermeiden kann der Schutzmantel auch aus mehreren Schichten bestehen. Dadurch wird die Berührung von Kathode und Bauteil (=Anode) verhindert und ein definierter Mindestabstand eingehalten. Durch die Öffnungen des Schutzmantels kann sich ein elektrisches Feld zwischen Kathode und Werkstück ausbilden, das räumlich weitgehend konstant ist.  Diese Art der Kathoden könnten entweder frei im Polierbehälter in Elektrolyten (Flüssigkeiten, Gase; Gele, Suspensionen etc.) „umherschwimmen“ oder angebunden sein. Ein so entstandenes elektrisches Feld würde sich dann gleichmäßig auf die Geometrie des zu polierenden Bauteils verteilen. Um zu gewährleisten, dass die Kathoden nicht ständig an einem Ort verbleiben, wird das Poliergefäß oder das Bauteil mechanisch bewegt. Dadurch kann ein gleichmäßiger Abtrag von Rauheitsspitzen am Bauteil erfolgen, was die Schwingfestigkeit verbessert und auch zu einer längeren Lebensdauer des additiv gefertigten Werkstücks führt.