Fräsen und Funkenerosion: Präzisionsverfahren der spanenden Fertigung

Grundlagen der zerspanenden Fertigung

Das Trennen ist nach DIN 8580 ein Fertigungsverfahren, bei dem der Zusammenhalt eines festen Körpers örtlich aufgehoben wird, beispielsweise durch Zerteilen, Spanen, Abtragen oder thermisches Schneiden. Die Verfahren lassen sich in Gruppen unterteilen: das Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden (wie Drehen, Bohren und Fräsen), das Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden (wie Schleifen) sowie das Abtragen durch thermische, chemische oder elektrochemische Prozesse. Während beim Fräsen mechanische Kraft über ein rotierendes Werkzeug wirkt, nutzt die Funkenerosion (EDM) elektrische Entladungen zur materialabtragenden Bearbeitung.

Fräsen: Mechanische Zerspanung mit rotierendem Werkzeug

Funktionsweise und Einsatzgebiete

Beim Fräsen wird das Werkstück in der Fräsmaschine eingespannt, während das Fräswerkzeug mit hoher Geschwindigkeit rotierend in das Material eintaucht und entlang der Konturen bewegt wird. Moderne CNC-Fräsmaschinen erlauben die exakte Steuerung von Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnittbreite und Eingriffswinkel, wodurch hochpräzise und komplexe Werkstücke gefertigt werden können. Das Verfahren eignet sich für verschiedene Werkstoffe: Im Metallbau werden Aluminium, Titan, Stahl und Sonderwerkstoffe bearbeitet, während in der Holzverarbeitung Fräsmaschinen im Möbel- und Innenausbau sowie im Fensterbau zum Einsatz kommen.

Fräsverfahren in der Holzbearbeitung

In der Holzbearbeitung ermöglichen computergesteuerte Fräsmaschinen flexible und präzise Fertigungen. Je nach Bearbeitungsziel kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz:

• CNC-Fräsen: Computergesteuertes Fräsen mit hochtourigen Spindeln für den Möbelbau.
• Profilfräsen: Erzeugung von Rundungen, Nuten und Verzierungen an Leisten mit Radien zwischen 4 und 18 mm.
• Planfräsen: Das wichtigste Verfahren zur Herstellung glatter, planer Flächen, häufig mit Fräsköpfen bei 45° Einstellwinkel.
• Rundfräsen: Herstellung zylindrischer Formen wie runder Zapfen oder das Versäubern runder Sägeausschnitte.
• Formfräsen: Für komplexe, räumliche Gestaltungen meist auf CNC-Maschinen.
• Stirnfräsen: Großflächiger Materialabtrag mit glatten Oberflächen.
• Schraubfräsen: Einfräsen von Gewinden oder Zinkenverbindungen.
• 3D-Fräsen: Automatisierte Fertigung anspruchsvoller Formen und Serienteile.

Gleich- und Gegenlauffräsen

Die Fräsrichtung ergibt sich aus Vorschub- und Drehrichtung des Werkzeugs. Beim Gegenlauffräsen verläuft der Vorschub entgegengesetzt zur Drehrichtung; die Spandicke nimmt zu, was zu höherer Wärme und Vibrationen führen kann, insbesondere bei dünnen Werkstücken. Beim Gleichlauffräsen stimmen Drehrichtung und Vorschub überein; der Fräser „zieht“ sich durchs Material und erzeugt einen Poliereffekt, erfordert aber mehr Routine und genaue Maschineneinstellung.

Funkenerosion (EDM): Thermisches Abtragen durch elektrische Entladungen

Historische Entwicklung

Die Geschichte der Funkenerosion beginnt 1770 mit Joseph Priestleys Entdeckung der erodierenden Wirkung elektrischer Ladungen. 1943 entwickelten die russischen Wissenschaftler B. R. und N. I. Lazarenko das kontrollierte Verfahren zur Funkenerosion, indem sie den negativen Effekt des Kontaktverschleißes in einen Bearbeitungsvorteil umwandelten. Der Durchbruch gelang jedoch erst nach der Erfindung des Transistors 1947 durch Shockley, Bardeen und Brattain. 1952 wurde in Genf der Geschäftsbereich Charmilles EDM gegründet, 1954 folgte Agie in der Schweiz; beide firmieren heute unter GF Machining Solutions.

Physikalisches Prinzip und Prozessablauf

Beim EDM-Verfahren (Electrical Discharge Machining) wird Material durch rasch wiederkehrende elektrische Entladungen zwischen Elektrode und Werkstück abgetragen. Beide befinden sich in einem elektrisch nicht leitenden Dielektrikum (Mineralöl oder synthetischer Kohlenwasserstoff). Bei angelegter Spannung entsteht im Abstand von 0,005 bis 0,5 mm (der Funkenstrecke) ein Lichtbogen mit Temperaturen bis zu 12.000 °C, der das Material schmilzt und verdampft. Das abgetragene Material wird durch das Dielektrikum weggespült.

Der Prozess durchläuft vier Phasen:

1. Ionisierung: Elektronen werden aus den Molekülen des Dielektrikums herausgeschlagen.
2. Zündphase: Strom fließt, positive Ionen wandern zum Werkstück, negative Elektronen zum Werkzeug; ein Entladekanal bildet sich.
3. Brennphase: Der Entladekanal vergrößert sich zu einem Plasma, das das Werkstück schmilzt.
4. Zusammenbruch: Der Entladekanal kollabiert, das geschmolzene Material verdampft und wird durch das schlagartig aufeinandertreffende Dielektrikum weggenommen.

Moderne Generatoren erzeugen bis zu 100.000 Funken pro Sekunde bei Wirkungsgraden über 80 Prozent.

Verfahrensvarianten

Die elektrische Entladungsbearbeitung gliedert sich in drei Hauptverfahren:

• Senkerodieren (Ram EDM): Eine Elektrode (Negativ der gewünschten Form) aus Graphit oder Kupfer wird langsam in das Werkstück gesenkt. Hauptanwendung ist der Formenbau für komplexe Hohlräume.
• Drahterodieren (Wire EDM): Ein dünner Messing- oder Kupferdraht (0,01 bis 0,35 mm Durchmesser) schneidet als Elektrode durch das Material. Das Verfahren eignet sich für präzise Innen- und Außenkonturen sowie für Startlöcher zum Drahterodieren.
• Startlochbohren (Small Hole EDM): Zum Erzeugen kleiner, tiefer Löcher ohne Entgraten, beispielsweise für Kühlkanäle in Turbinenschaufeln.

Anwendungen und Materialien

Funkenerosion bearbeitet alle elektrisch leitenden Materialien unabhängig von Härte und Zerspanbarkeit – von gehärteten Stählen und Hartmetallen bis zu Titan- und Nickellegierungen. Typische Anwendungen finden sich in der Luft- und Raumfahrt (Turbinenteile), Medizintechnik (Implantate, chirurgische Werkzeuge), Elektronikindustrie (Leadframes, Steckverbinder) sowie im Werkzeug- und Formenbau. Besonders geeignet ist das Verfahren für scharfe Innenecken, Mikrolochbohren und die Zerstörung festsitzender Komponenten wie abgerissener Schrauben.

Verfahrensvergleich und Wirtschaftlichkeit

Während das Fräsen mechanische Kraft einsetzt und auch Nichtleiter wie Kunststoffe sowie Holz bearbeiten kann, ist die Funkenerosion auf elektrisch leitfähige Werkstoffe beschränkt. Dafür erzeugt EDM hochwertige Oberflächen ohne Grate und ermöglicht Bearbeitungen an Materialien, die für mechanische Verfahren zu hart oder zu komplex sind. Fräsen bietet dagegen höhere Zeitspanungsvolumina und ist kostengünstiger für Serienfertigungen. Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach Material, Geometrie, benötigter Präzision und Stückzahl.