EDM 70 Jahre funkenerosive Bearbeitung: Ein Streifzug durch Geschichte und Innovation

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Seit 70 Jahren verändert die Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM) die Art und Weise, wie wir Dinge herstellen – von Autos bis hin zu Computern. Diese Geschichte beginnt bei der zufälligen Entdeckung der Funkenerosion im Zweiten Weltkrieg und führt bis zu ihrer Schlüsselrolle in der modernen Fertigung. Mit dem Fokus auf Innovation, Energie- und Ressourceneffizienz steht GF Machining Solutions heute an der Spitze der Funkenerosionstechnologie.

Electrical Discharge Machining (EDM), ein nicht-traditionelles Bearbeitungsverfahren, verwendet elektrische Entladungen, um Material von einem Werkstück zu entfernen. Dieses Verfahren hat die Herstellungsmethoden für Formen und Stanzteile weltweit erheblich verändert und neue und billigere Produkte in der Automobil- und Elektronikbranche ermöglicht, die die Lebensqualität der Menschen insgesamt verbessern. Das Senkerodieren ermöglichte die Herstellung komplexer Formen, die die Anzahl der Teile vieler Konsumgüter reduzierten und damit deren Preis senkten. Selbst bei komplexen Formen und komplizierten Geometrien, wie sie beispielsweise für die in integrierten Schaltkreisen verwendeten Leadframes benötigt werden, erlaubt die Drahterodiertechnik mit einem dünnen Draht eine bis zu 1 µm genaue Bearbeitung.

Erfindung der Funkenerosion

Während des Zweiten Weltkriegs forschte das russische Physikerpaar B. R. und N. I. Lazarenko daran, den Verschleiss von Stromkontakten zu minimieren. Anstatt den Kontaktverschleiss zu verringern, gelang es ihnen 1943, diesen negativen Effekt in etwas Nützliches umzuwandeln. Ein Verfahren, mit dem jedes leitfähige Material bearbeitet werden kann, egal wie hart es ist: Die Funkenerosion war geboren. In der Dissertation von B. R. Lazarenko aus dem Jahr 1943 wurde die «Umkehrung des Effekts der Abnutzung elektrischer Stromkontakte für Bearbeitungszwecke» vorgeschlagen, um den negativen Effekt der Abnutzung elektrischer Kontakte in einen positiven Effekt für die Bearbeitung metallischer Werkstücke zu verwandeln. Die Forschung war in den sozialistischen Ländern nicht immer einfach, da sie nicht sofort über alle Technologien verfügten. Später in der Schweiz fielen diese Ideen auf fruchtbaren Boden, und die Möglichkeiten zur Weiterentwicklung und Industrialisierung waren gegeben, als die Lazarenkos 1952 Charmilles und einige Jahre später Agie besuchten, die heute beide zu GF Machining Solutions gehören.

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Die Bedeutung der Transistoren – Symbiose von EDM und Elektrotechnik

Die ersten Generatoren waren sehr einfach: Die Gleichstromquelle lud einen Kondensator über einen Begrenzungswiderstand auf, und der Kondensator entlud sich dann «wild» in den Spalt. Dies führte zu einer begrenzten Qualität der Prototypen und zu Schwierigkeiten bei der Industrialisierung, was diese Technologie zunächst in Verruf brachte.

Lazarenko hatte keine grosse Auswahl an elektronischen Bauteilen, der Transistor war noch nicht erfunden, und die verfügbaren Dioden waren nicht für die Funkenerosion geeignet.

Das änderte sich 1947, als William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Labs den Transistor erfanden. Diese Erfindung war eine echte Revolution und ebnete den Weg für die grossartige Entwicklung der Elektronik, der auch die Funkenerosionstechnik fast alles verdankt. Einige Jahre später waren die ersten Leistungstransistoren verfügbar, wie der 2N1908, ein Germaniumtransistor, der in den ersten EDM-Generatoren verwendet wurde. Dank dieser Transistoren wurden effizientere und besser steuerbare Entladungsgeneratortopologien möglich.

Im Laufe der Jahre entwickelte sich die Funkenerosionstechnologie dank der Synergie mit der Elektronik weiter. Die herausragendsten Errungenschaften waren die Erfindung des Planartransistors 1959, dann die integrierten Schaltkreise 1965 und der Mikroprozessor von Intel 1971, der der Funkenerosion den letzten Schub gab. Noch heute ist die Funkenerosion eine Schlüsseltechnologie für die Elektronikindustrie, angefangen bei Stanzwerkzeugen für die Massenproduktion von Steckverbindern über Leadframes für integrierte Schaltkreise bis hin zur Einzelteilfertigung von Hightech-Komponenten für Wafer-Lithografiemaschinen.

Agie und Charmilles: Schweizer Pioniere der industrialisierten EDM-Maschinen

1952 wurde der Geschäftsbereich Charmilles EDM als Teil der Ateliers des Charmilles in Genf gegründet. 1954 gründete Dr. h.c. Werner Ullmann die Agie (A.G. für industrielle Elektronik Agie) in der Schweiz. Kurz darauf wurden die ersten EDM-Maschinen in Mailand auf der vierten europäischen Werkzeugmaschinenausstellung ausgestellt.

Im Jahr 1996 fusionierten Agie und Charmilles unter dem Dach der Georg Fischer AG und sind bis heute unter dem Namen GF Machining Solutions ein führender Hersteller von EDM-Maschinen. Heute wird die Funkenerosion auch in modernen High-End-Technologien wie der Luft- und Raumfahrt (Energie- und Turbinenteile), in der Medizintechnik (Implantate, chirurgische Werkzeuge) und bei Stanzwerkzeugen für elektronische Komponenten (Steckverbinder, Leadframes) eingesetzt.

Energie- und Ressourceneffizienz

GF Machining Solutions hat erhebliche Fortschritte bei der Energie- und Ressourceneffizienz gemacht. Durch das Entfernen von Widerständen im Generator und deren Ersatz durch effizientere Schaltungen erreichen moderne Generatoren Wirkungsgrade von über 80 Prozent.

Dank innovativer Elektronik ist es heute möglich, jede Entladung genau zu lokalisieren. Wenn man bedenkt, dass die Funken beim Erodieren mit Frequenzen von Kilohertz bis Megahertz erzeugt werden, muss die Steuerung in der Zeit von Hunderten von Nanosekunden agieren. Diese Präzision ermöglicht eine weitere ressourceneffizienzorientierte Optimierung. Der Drahtverbrauch, ein kritischer Aspekt bei der Drahterosion, kann dank der Detektierung des Entladungsortes stark reduziert werden – bei modernen Maschinen um bis zu 40 Prozent. Wenn man bedenkt, dass jede Minute zusammengerechnet Tausende von Kilometern Draht verwendet werden, bedeutet dies eine enorme Einsparung der wertvollen Ressourcen Kupfer und Zink, aus denen die Drähte bestehen. Den Ingenieuren von GF Machining Solutions ist es zudem gelungen, die Entladung so zu steuern, dass der Prozess von einer stochastischen Entladungsverteilung zu einer deterministischen Entladungsverteilung übergeht.

Eine in der Branche wachsende Herausforderung beim Senkerodieren ist es, hoch qualifiziertes Personal zu finden, das ein perfektes Teil nach einer Zeichnung herstellen kann. Um die Präzision und Oberflächengüte der Maschine zu maximieren, ist dieses allerdings erforderlich. Als eine Antwort darauf hat GF kürzlich das erste EDM-CAM-System auf den Markt gebracht, um die Bediener bei ihrer täglichen Arbeit zu unterstützen, eine «First Part Right»-Bearbeitung zu ermöglichen und die Digitalisierung der Prozesskette voranzutreiben. Form eCAM nutzt CAD-Geometrien, um den Bearbeitungsprozess zu beschreiben, und ist in der Lage, das genaue Volumen zu extrahieren, das von der Senkerodiermaschine erodiert werden soll. Mit diesem erweiterten Wissen kann die Software einen geeigneten Satz von Technologieparametern erstellen, was potenzielle menschliche Fehler verhindert und die Effizienz in der Werkstatt erhöht. (neu)

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