Abtragmechanismen beim drahtfunkenerosiven Bearbeiten elektrisch leitfähiger Keramiken im kohlenwasserstoffbasierten Dielektrikum

Olivier, Marcel Christoph; Bergs, Thomas; Klocke, Fritz

doi:42911

Abtragmechanismen beim drahtfunkenerosiven Bearbeiten elektrisch leitfähiger Keramiken im kohlenwasserstoffbasierten Dielektrikum = Removal mechanisms during wire electrical discharge machining of electrically conductive ceramics in hydrocarbon-based dielectrics

Olivier, Marcel Christoph^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeMarcel Olivier

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-200-9

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2024,4

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Klocke, Fritz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-01047
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/977989/files/977989.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 283180766 - Werkstoffbasierte Grundlagenuntersuchungen zur Erweiterung des Verständnisses der Erodierbarkeit von elektrisch leitfähigen Keramiken mit oxidischer Matrix (283180766) (283180766)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Abtragmechanismus (frei) ; Drahtfunkenerosion (frei) ; ECDMTF100 (frei) ; EDM (frei) ; Funkenerosion (frei) ; Keramik (frei) ; ECDMTF100 (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Durch das thermo-physikalische Wirkprinzip der Drahtfunkenerosion ist der Materialabtrag kraftfrei, wodurch die Fertigung von filigranen Strukturen in hochfesten Werkstoffen ermöglicht wird. Der thermische Eintrag infolge der elektrischen Entladungen verändert die Oberflächenintegrität des Werkstücks, was auch die Bauteilfunktionalität beeinträchtigt. Für metallische Werkstoffe sind diese Zusammenhänge umfangreich analysiert. Auch ist der Einfluss des Werkstoffs auf die Prozessproduktivität und -stabilität weitestgehend erforscht. Bei keramischen Werkstoffen, die aufgrund ihrer herausragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften in diversen Bereichen Anwendung finden, ist lediglich bekannt, dass im wasserbasierten Dielektrikum unterschiedliche Abtragmechanismen in Abhängigkeit von der Keramiksorte existieren. Für die Bearbeitung im kohlenwasserstoffbasierten (CH-basierten) Dielektrikum ist bis dato nicht untersucht worden, welche Abtragmechanismen bei Keramiken vorliegen und wie der Einfluss sowohl auf die resultierende Oberflächenintegrität als auch auf die Prozessproduktivität und -stabilität ist. Zusätzlich existieren keine Erosionstechnologien, die eine Bearbeitung von verschiedenen Keramiken zulassen.Die vorliegende Arbeit widmet sich dieser Problemstellung, indem die zentrale Forschungshypothese aufgestellt wurde, dass die Klassifizierung elektrisch leitfähiger Keramiken auf Basis der dominierenden Abtragmechanismen eine wirtschaftliche Auslegung des Drahtfunkenerosionsprozesses im CH-basierten Dielektrikum ermöglicht. Dazu wurden drei verschiedene Keramiken in einer umfangreichen Parameterstudie bearbeitet und die resultierende Oberflächenintegrität analysiert. Für ein tieferes Verständnis über die Abtragmechanismen wurden zusätzlich Einzelentladungsversuche durchgeführt. Darüber hinaus wurden Abtragpartikel aus dem kontinuierlichen Prozessentnommen, um eine Partikelgrößenverteilung zu erstellen, die mit den ermittelten Produktivitäts- und Stabilitätswerten korreliert wurde. In Biegefestigkeitsuntersuchungen wurde der Einfluss sowohl unterschiedlicher Energieniveaus als auch keramikspezifischer Nachschnittbearbeitungen auf die Festigkeit untersucht. Zum einen dienten die generierten Erkenntnisse zur Entwicklung eines Simulationsmodells, mit dem die Randzonenschädigung abgeschätzt werden soll. Zum anderen wurden die Ergebnisse zur Klassifizierung der drahtfunkenerosiven Bearbeitbarkeit elektrisch leitfähiger Keramiken auf Basis der dominierenden Abtragmechanismen verwendet. Diese Klassifizierung kann unter anderem zur Auswahl einer Basistechnologie für eine automatisierte Optimierungssoftware genutzt werden, die im Rahmen dieser Arbeit unter Verwendung eines evolutionären Algorithmus entwickelt wurde.

Due to the thermo-physical principle of wire electrical discharge machining, the material removal is force-free, which enables the production of filigree structures in highstrength materials. The thermal input caused by the electrical discharges alters the surface integrity of the workpiece, which also affects the component functionality.These interactions have been extensively analyzed for metallic materials. The influence of the material on process productivity and stability is also understood. For ceramic materials, which are used in various fields due to their outstanding mechanical and thermal properties, the only known fact is that different removal mechanisms existin water-based dielectric depending on the ceramic type. So far, for machining in hydrocarbon-based (CH-based) dielectrics, it is not known which removal mechanisms are present in ceramics and which influence they have on the resulting surface integrity as well as on the process conditions. In addition, there are no erosion technologiesthat enable the machining of different ceramics. The present work addresses this problem by establishing the central research hypothesis that the classification of electrically conductive ceramics based on the dominant erosion mechanisms enables an economical design of the wire electrical discharge machining process in CH-based dielectrics. For this purpose, three different ceramics were processed in an extensive parameter study and the resulting surface integrity was analyzed. For a more profound understanding of the removal mechanisms, additional single discharge experiments were carried out. Furthermore, removal particles were extracted from the continuous process to create a particle size distribution, which was correlated with the determined productivity and stability values. Bending strength studies were performed to investigate the influence of both different energy levels and ceramic-specific trim cutting on the strength. On the one hand, the knowledge generated was used to develop a simulation model that will estimate the rim zone damage. Secondly, the results were used to classify the wire electrical discharge machinability of electrically conductive ceramics based on the dominant removal mechanisms. This classification can be used, for instance, to select a basic technology for an automated optimization software, which was developed within the scope of this work using an evolutionary algorithm.

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