Gekoppelte multiphysikalische Simulationsmethoden zur Beherrschung des PECM Prozesses mit Magnetic-Field-Assistance (MPECM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Richter; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439920154

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird das gepulste elektrochemische Abtragen (PECM) durch die Überlagerung des Abtragbereichs mit gezielt gerichteten, magnetischen Feldern zum Zweck der lokalen Oberflächenfunktionalisierbarkeit sowie zur Steigerung der Effizienz des Produktionsprozesses erforscht. Das Ziel der zweiten Projektphase innerhalb des SPP 2231 bestand insbesondere in der Betrachtung integraler Messgrößen, um den Prozess unter Berücksichtigung von instationären Bedingungen zu charakterisieren und mit Simulationsergebnissen vergleichen zu können. Hierzu stellt die Entwicklung und Validierung einer Simulationsmethode zur Beschreibung des MPECM (Stoff- und Ladungstransport im Arbeitsspalt; Werkstückformgebung) unter Berücksichtigung der relevanten Wirkmechanismen auf unterschiedlichen Zeitskalen einen maßgeblichen Arbeitsschwerpunkt dar. Zur messtechnischen Bewertung des MPECM-Prozesses wird eine skalenübergreifende, optische Analyse der Elektrolytstoffdaten und Prozessgase durch Kombination von in-situ Messungen innerhalb einer Mesoskala-Analysezelle durchgeführt. Ein besonderer Schwerpunkt der Abtragexperimente lag zudem auf der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften und der Abtraglokalisierung in Abhängigkeit der Magnetfeldparameter. Darüber hinaus werden die experimentellen Ergebnisse der Oberflächenausbildung mit den Bearbeitungsstrategien und den Simulationsergebnissen zusammengeführt und die MPECM-Technologie anhand einer 3D-Formgebung mit einer magnetisierten Kathode beim EC-Senken nachgewiesen. In der dritten Projektphase des SPP 2231 liegen die Schwerpunkte der Arbeiten insbesondere in der Gestaltung und Optimierung von Kathodensystemen mit integrierter Magnetfeldüberlagerung, um einen Formgebungsprozess unter Berücksichtigung von inhomogenen und instationären Bedingungen zu charakterisieren und mit Simulationsergebnissen vergleichen zu können. Im Ergebnis der dritten Förderperiode liegt ein erforschtes zeit- und anwendungsoptimiertes Prozessmodell für den instationären MPECM-Prozess vor. Dieses Prozessmodell ist durch die Implementierung von experimentell ermittelten Abtragkennfeldern mit der Abtraggeschwindigkeit als Funktion der vorliegenden Stromdichte und magnetischen Flussdichte charakterisiert. Der damit realisierte Komplexitätsgrad der Simulation wird durch diese Abstraktion reduziert, so dass damit zeiteffiziente Werkzeug- und Prozessoptimierungen realisierbar sind. Ein besonderer Schwerpunkt der Experimente wird außerdem auf die Bestimmung der Stromausbeute zur prozessbegleitenden Charakterisierung der anodennahen Bearbeitungsbedingungen liegen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)