Simulation der gepulsten elektrochemischen Metallbearbeitung (PECM) von dünnwandigen Bauteilen für den Triebwerksbau – SIMPECT

• Antragsteller: Dr.-Ing. Andreas Klink; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439915866

In der Triebwerksfertigung werden durch die steigenden thermischen und mechanischen Anforderungen effizienterer Triebwerke kontinuierlich hochwarmfestere Werkstoffe eingesetzt, die sich konventionell immer schwerer bearbeiten lassen. Insbesondere in der Schaufelfertigung werden dabei neben hohen Maßhaltigkeiten und Oberflächengüten auch die Bearbeitung immer dünnwandigerer Bauteile gefordert. Diese Anforderungen sind mithilfe etablierter zerspanender Prozesse aufgrund der großen auftretenden Prozesskräfte und dem immensen Werkzeugverschleiß immer schwerer technologisch und ökonomisch zu erreichen. Infolgedessen wird bei solchen Anwendungen vermehrt die elektrochemische Metallbearbeitung (ECM) als Alternative bei den Triebwerksherstellern eingesetzt, bei der aufgrund der anodischen Metallauflösung der Materialabtrag unabhängig von den thermo-mechanischen Festigkeitswerten erfolgt. Als elementare Prozesseinflussgrößen spielen dabei die physikalischen Elektrolyteigenschaften und die Strömungsbedingungen eine Schlüsselrolle hinsichtlich des lokal realisierbaren Materialabtrages. Zur Finishbearbeitung von Triebwerksschaufeln wird meist die gepulste elektrochemische Metallbearbeitung (PECM) eingesetzt, wodurch eine höhere Oberflächengüte und Fertigungsgenauigkeit erzielt wird. Aus der industriellen Anwendungspraxis des Verfahrens ist jedoch bekannt, dass spülungsinduzierte Phänomene auftreten können, die insbesondere bei filigranen Bauteilen zu Formabweichungen oder sogar zum Kurzschluss führen können. Für die Werkzeugauslegung im PECM Prozess existiert bisher kein validiertes fluiddynamisches Simulationsmodell. Der Grund liegt in dem stark instationären Charakter der Phänomene im Elektrolytkanal durch die Oszillation der Werkzeugelektroden sowie in der Fluid-Struktur-Interaktion, die bisher weder ausreichend simuliert noch modelliert werden konnten. In der ersten Projektförderphase konnte eine generische Umgebung zur Simulation und Messung strömungs- und strukturmechanischer Charakteristika des PECM Prozesses erfolgreich als Grundlage aufgebaut werden. In der zweiten Phase wurde die gezielte Modellentwicklung zum Einfluss spülungsinduzierter Kräfte und zur Beschreibung der Ansammlung von Gasagglomeraten auf das elektrochemische Abtragverhalten einer realen Schaufelgeometrie realisiert und angewendet. Das Ziel in der dritten Förderphase ist die Entwicklung eines toleranzbasierten Entscheidungsmodells zur zielgrößenorientierten Auswahl von Bearbeitungsparametern zur Prozessoptimierung. Dieses Ziel soll durch die Kombination von hocheffizienten Simulationsmodellen und präzisen experimentellen Messungen erreicht werden. Basierend auf diesem holistischen Verständnis des PECM-Prozesses wird dann das Modell entwickelt, das in der Ausführung auf Simulationsmethoden mit stark reduzierter Komplexität zurückgreift, um u.a. die statischen und dynamischen Struktureigenschaften des Werkstücks und den lokal zu erwartenden Materialabtrag zu bestimmen.

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