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 Zwecke der lokalen Oberflächenfunktionalisierbarkeit sowie zur Steigerung der Effizienz des Produktionsprozesses erforscht. In der ersten Projektphase des SPP 2231 lagen die Schwerpunkte der Arbeiten in der Entwicklung, Auswertung und Validierung von gekoppelten fluiddynamischen Simulationsmodellen zum magnetfeldüberlagerten ECM und der Realisierung von Messstrategien zur experimentellen Einflussanalyse von Magnetfeldern auf den ECM-Prozess. Hierzu wurde ein optisches Messsystem (stereo Particle Image Velocimetry - PIV) auf Basis von dimensionalen Kennzahlen und Fluiddynamik-Simulationen entwickelt und anschließend kalibriert. Dieses Messsystem konnte im weiteren Verlauf erfolgreich zur optischen Analyse einer auf die Millimeter-Größenordnung übertragenen Elektrolytströmung innerhalb einer realisierten Mesoskala-Analysezelle angewendet werden. Zahlreiche Abtragexperimente im fertigungstechnisch relevanten Maßstab haben zudem gezeigt, dass die Magnetfeldüberlagerung sowohl den Abtragprozess, als auch das Abtragergebnis beeinflussen können. Basierend auf den Abtragexperimenten wurde ein gekoppeltes Simulationsmodell zum magnetfeldüberlagerten ECM realisiert. Mittels der Simulationsmethodik ist es möglich die anodische Metallauflösung unter Berücksichtigung der wechselwirkenden fluiddynamischen, thermodynamischen und elektromagnetischen Feldgrößen durch Berechnung des Ionentransportes innerhalb des Arbeitsspaltes transient abzubilden.Das Ziel der zweiten Projektphase innerhalb des SPP 2231 besteht 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 und ex-situ Messungen innerhalb eines der Mikroskala-Analysezelle nachgeschalteten Analysebereiches durchgeführt. Ein besonderer Schwerpunkt der Abtragexperimente wird zudem auf der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften und der Abtraglokalisierung in Abhängigkeit der Magnetfeldparameter liegen. Zudem 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.

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