DE10234122A1

DE10234122A1 - Vorrichtung und Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks

Info

Publication number: DE10234122A1
Application number: DE2002134122
Authority: DE
Inventors: Magnus Dr.-Ing. Buhlert; Peter Jörg Prof. Dr. Plath
Original assignee: MIR CHEM GmbH; MIR-CHEM GmbH
Current assignee: MIR CHEM GmbH; MIR-CHEM GmbH
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks (10). Hierbei wird mittels mehrerer Elektroden (2, 3), die mit einem von einer Stromquelle (7) erzeugbaren Strom beaufschlagt werden können, ein Stromfeld in einer elektrolytischen Flüssigkeit (5) ausgebildet, wenn die mehreren Elektroden (2, 3) jeweils wenigstens teilweise in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) angeordnet sind. Die mehreren Elektroden (2, 3) sind getrennt von dem Werkstück angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks, wobei mehrere Elektroden mit einer Stromquelle verbunden sind, so daß die mehreren Elektroden mit einem Strom beaufschlagt werden können, um in einer elektrolytischen Flüssigkeit, in welcher die mehreren Elektroden wenigstens teilweise angeordnet sind, ein Stromfeld zu erzeugen. Das Verfahren und die Vorrichtung sind in verschiedenen Anwendungen des elektrochemischen Bearbeitens von Werkstücken nutzbar, insbesondere zum elektrochemischen Form- oder Oberflächenabtragen, galvanischen oder elektrochemischen Abscheiden, zur Galvanoplastik, zum elektrophoretischen Abscheiden oder zur Reduktion oxidischer Metalle.

Eine elektrophoretische Bearbeitung beruht auf der Wanderung von elektrisch geladenen Kolloidteilchen in einem elektrischen Feld. Je nach der Wanderungsrichtung spricht man von Kataphorese (zum negativen Pol) oder von Anaphorese (zum positiven Pol). Die Elektrophorese beruht darauf, daß die Teilchen durch Anlagerung oder Abspaltung von Ionen gegenüber einer Flüssigkeit aufgeladen werden. Sie dient zur Trennung und zum Ausfällen von Kolloiden. Anwendungen finden beispielsweise beim Tauchlackieren statt. In der präparativen und analytischen Chemie wird die Papierelektrophorese zur Trennung kleiner Substanzmengen genutzt; dabei wird ein Tropfen der zu trennenden Mischung auf einen Papierstreifen (mit einer Pufferlösung) gebracht, an dessen Enden eine Spannung von einigen hundert Volt anliegt. Die Teilchen wandern verschieden schnell und können nachgewiesen werden, beispielsweise mittels Farbreaktion.

Beim elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks erfolgt ein Abtrag von der Oberfläche des Werkstücks oder ein Auftrag auf die Oberfläche des Werkstücks mittels einer oder mehrerer elektrochemischer Reaktionen zwischen dem Werkstück und einem leitenden Elektrolyten, in welchem das Werkstück angeordnet ist. Das elektrochemische Abtragen und das elektrochemische Auftragen bei metallischen Werkstücken unterscheiden sich im wesentlichen durch die Reaktionsrichtung der jeweiligen elektrochemischen Reaktionen, d.h. die Reaktionsrichtungen sind entgegengesetzt. Während das elektrochemische Abtragen bei metallischen Werkstücken ausgeführt wird, kann ein elektrochemisches Auftragen an leitenden Werkstücken, nämlich metallischen oder leitend gemachten nicht-metallischen Werkstücken, durchgeführt werden.

Bei bekannten Verfahren zum elektrochemischen Abtragen mit Fremdstromquelle ist das zu bearbeitende metallische Werkstück als eine Anode ausgebildet, die mit einer Gegenelektrode (Kathode) zusammenwirkt, wobei die Anode und die Kathode in einer elektrochemischen Zelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Derartige Verfahren unterscheiden sich von den Verfahren des chemischen Abtragens und des elektrochemischen Abtragens ohne Fremdstromquelle dadurch, daß kein äußerer Strom fließt.

Es können drei Arten des elektrochemischen Abtragens unterschieden werden: elektrochemisches Ätzen, elektrochemisches Formabtragen und elektrochemisches Oberflächenabtragen.

Diese Verfahren unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Verwendung oder Nichtverwendung einer äußeren Stromquelle. Ohne äußere Stromquelle findet der elektrochemische Abtrag aufgrund von Lokalelementbildung als aktives Ätzen statt. Zu diesem Verfahren gehören unter anderem Formteilätzen, Sprühätzen, Ätzentkraten und Ätzpolieren.

Für das elektrochemische Formabtragen (Form-Elysieren) sind eine hohe Wirkstromdichte von mehr als 1 kA/dm², eine formgebende Werzeugelektrode und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyts charakteristisch. Zu den Verfahren, bei denen mit einer äußeren Stromquelle gearbeitet wird, zählen beispielsweise das elektrochemische Senken, Drehen, Schleifen, Hohnen und Läppen.

Hiervon zu unterscheiden ist das elektrochemische Oberflächenabtragen. Hierbei werden Oberflächenschichten beliebiger Ausdehnung anodisch entfernt. Die Wirkstromdichten sind mit 1 bis 300 A/dm² verhältnismäßig gering. Der Abstand zwischen Werkstück und Gegenelektrode ist relativ groß. Es werden werkstoffspezifische Elektrolyte eingesetzt. Neben dem Elektropolieren (elektrochemisches Glänzen) werden auch das elektrochemische Entgraten, Beizen und Entmetallisieren in diese Verfahrensgruppe eingeordnet.

Das elektrochemische Oberflächenabtragen wird bei metallischen Werkstücken ausgeführt, um glänzende oder glatte und korrosionsbeständige Oberflächen zu erzeugen. Dieses Verfahren wird außer für dekorative Anwendungen unter anderem in der Medizin- und Lebensmitteltechnik eingesetzt. Rohrleitungen in kerntechnischen Anlagen werden wegen des besseren Reinigungsverhaltens elektropoliert. Des weiteren kann hiermit die Oberfläche der Rohrleitungen dekontaminiert werden. Weiterhin werden mit Hilfe des Elektropolierens Proben für werkstoffkundliche Untersuchungen vorbereitet.

Bei der Reduktion von oxidischen Metallen oder Oxidschichten auf Metallen wird das Werkstück als Kathode ausgebildet. Durch elektrochemische Reaktion geht Sauerstoff in den Elektrolyten über und Metalloxide werden zu Metall bzw. Legierungen reduziert.

Beim galvanischen Abscheiden und bei der Galvanoplastik wird das zu bearbeitende metallische oder leitend gemachte Werkstück als Kathode (Abscheidungselektrode) in die Elektrolytlösung gehängt und wirkt mit der Gegenelektrode (Anode) zusammen. Hierbei können auch Werkstücke bearbeitet werden, die nur zum Zweck der Bearbeitung leitend gemacht werden, zum Beispiel zu galvanisierende Kunststoffe. Nicht zu bearbeitende Abschnitte der Oberfläche solcher Werkstücke werden mit einer isolierenden Schutzschicht (elektrolytbeständiger Resist) versehen. Die galvanischen Verfahren werden genutzt, um auf dem bearbeiteten Werkzeug einen metallischen Überzug zu erzeugen, der dem Korrosionsschutz, der Erzielung einer höheren Härte oder eines dekorativen Aussehens dienen kann. Hierbei können sowohl reine Metalle als auch Legierungen abgeschieden werden. Die Dicke der aufgebrachten Schicht hängt hierbei im wesentlichen von der Stromdichte und der Expositionszeit ab.

Bei bekannten Vorrichtungen für das elektrochemische Oberflächenabtragen als auch bei bekannten Vorrichtungen für das galvanische Abscheiden und die Galvanoplastik sowie im Fall des elektrophoretischen Beschichtens wird das zu bearbeitende Werkstück mit einem Anschluß einer Stromquelle elektrisch verbunden, d.h., das Werkstück wird als Anode bzw. Kathode genutzt. Das Werkstück wird in einem Elektrolyt eingebracht. In dem Elektrolyt werden weiterhin eine oder mehrere Gegenelektroden (Kathode bzw. Anode) eingebracht, die mit einem anderen Anschluß der Stromquelle verbunden ist.

Zum Abtragen von oder zum Auftragen auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks mittels elektrochemischer Reaktionen werden die Gegenelektrode und das als Elektrode (Anode bzw. Kathode) genutzte Wekstück mit einem Gleichstrom beaufschlagt, so daß mit Hilfe einer Ionenreaktion ein Oberflächenabtrag bzw. eine Oberflächenabscheidung ausgelöst wird. Bei den beschriebenen Verfahren zum elektrochemischen Oberflächenabtragen oder zum galvanischen Abscheiden ist stets darauf zu achten, daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Anschlüssen der Stromquelle und dem Werkstück bzw. der Gegenelektrode ausgebildet ist, um ein ausreichendes Abtrag-/Abscheidungsergebnis zu erreichen. Da die zu bearbeitenden Werkstücke hinsichtlich der Form sehr verschieden ausgebildet sind, sind in Abhängigkeit von den Werkstücken verschiedene elektrisch leitende Haltemittel notwendig, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den mit der Stromquelle verbundenen Haltemittel und dem als Elektrode genutzten Werkstück auszubilden.

Bei der Reduktion metallischer Oxide wird mittels Gleichstrom Sauerstoff aus der Metalloxid-Kathode erzeugt. Die Metalloxid-Kathode wandelt sich hierbei zu einem Metall oder einer Legierung um.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten, insbesondere zum elektrochemischen Form oder Oberflächenabtragen, zum galvanischen Abscheiden, zur Galvanoplastik, zum elektrophoretischen Abscheiden oder zum Reduzieren von Metalloxiden zu schaffen, die (das) für verschieden ausgebildete Werkstücke flexibel nutzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.

Die Erfindung umfaßt den wesentlichen Gedanken, daß zum Ausbilden des notwendigen Stromfelds in der Elektrolytlösung, im Gegensatz zum Stand der Technik, wenigstens zwei Elektroden vorgesehen sind, die von dem zu bearbeitenden metallischen oder leitend gemachten Werkstück getrennt angeordnet sind, so daß das Werkstück nicht als eine der Elektroden genutzt wird und von dem zur Ausbildung des Stromfelds erzeugten Strom nicht direkt durchflossen wird. In diesem Sinne ist das Werkstück „stromlos". Das Werkstück weist keine direkte elektrische Verbindung mit der Stromquelle oder den Elektroden auf.

Der wesentliche Vorteil, welcher mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht ist, besteht einerseits darin, daß das Werkstück unabhängig von den Elektroden in dem Stromfeld angeordnet ist, so daß keine direkt elektrische Verbindung zwischen dem Werkstück und der Stromquelle ausgebildet werden muß. Hierdurch ist eine Fehlerquelle vermieden, die bei bekannten Vorrichtungen zum elektrochemischen Bearbeiten metallischer Werkqstücke häufig zu Problemen führt. Mittels der getrennten Anordnung des Werkstücks werden Anbrennungen an dem Werkstück vermieden, die entstehen können, wenn das Werkstück als eine der Elektroden genutzt wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Elektroden hinsichtlich ihrer Aufgabe zur Ausbildung eines zweckmäßigen Stromfelds optimiert werden können. Es muß hierbei keine Rück sicht auf die notwendige kontaktierende Halterung des Werkstücks an einer der Elektroden genommen werden, wie es bei bekannten Vorrichtungen der Fall ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Haltemittel zum Halten des metallischen Werkstücks vorgesehen, wobei die Haltemittel aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet sind, wodurch das Fließen elektrischer Ströme in Bereichen des Werkstücks, die von dem Haltemittel abgedeckt sind, verhindert ist, so daß lokal der Abtrag bzw. Auftrag durch eine elektrochemische Reaktion verhindert wird.

Zweckmäßig sind die Haltemittel so ausgebildet, daß eine Haltestellung des Werkstücks an den Haltemitteln verändert werden kann, wodurch es möglich ist, eine elektrochemische Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks in allen Bereichen dieser Oberfläche zu erreichen. Das Haltemittel ist vorzugsweise so gestaltet, daß in Verbindung mit dem elektrochemischen Abtragen und der Galvanoplastik Abschnitte der Oberfläche des Werkstücks, die mittels einer Schutzschicht gegen eine Bearbeitung geschützt sind, nicht beschädigt werden. Dieses betrifft insbesondere das Vorsehen von abgerundeten Kanten und im wesentlichen glatten Greifflächen an dem Haltemittel.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Konstruktion der mehreren Elektroden, insbesondere im Hinblick auf eine äußere Form, eine Größe und ein ober mehrere Materialien der mehreren Elektroden so aufeinander abgestimmt ist, daß das Stromfeld an Parameter des Werkstücks, beispielsweise eine äußere Form und eine Größe des Werkstücks angepaßt ist, so daß auf der Oberfläche des Werkstücks eine optimierte Oberflächenreaktion ablaufen kann. Hierdurch wird erreicht, daß die Oberfläche des Werkstücks in allen Bereichen effektiv bearbeitet wird, in denen einen elektrochemische Bearbeitung gewünscht ist. Weiterhin wird die Konstruktion des Werkstücks zweckmäßig so gestaltet, daß eine Ladungsdichte an dem Werkstück an Parameter des Werkstücks, beispielsweise eine äußere Form und eine Größe des Werkstücks angepaßt ist.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Werkstück wenigstens einen Hohlraum aufweist, wobei eine der mehreren Elektroden zumindest teilweise in dem wenigstens einen Hohlraum angeordnet werden kann, wodurch auch Werkstücke mit einem Hohlraum bearbeitet werden können.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umgibt eine andere der mehreren Elektroden das Werkstück zumindest teilweise, wodurch eine möglichst gleichmäßige Bearbeitung nicht ebener Oberflächen ermöglicht ist.

Ist das Werkstück als ein rohrförmiger Körper ausgebildet, so kann ein geeignetes Stromfeld, das eine gleichmäßige Oberflächenbearbeitung unterstützt, dadurch gebildet werden, daß die eine Elektrode einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweist, und daß die andere Elektrode als eine rohrförmige Elektrode ausgebildet ist.

Eine zweckmäßige Fortbildung der Erfindung sieht vor, daß das Werkstück und die mehreren Elektroden im Querschnitt jeweils als ein Vieleck mit n Ecken (n = 3, 4,...) ausgebildet sind, wobei Seiten der Vielecke der mehreren Elektroden beispielsweise jeweils nach innen gewölbt sind, wobei die mehreren Elektroden und eine Ecke des Vielecks der anderen Elektrode gegenüberliegen, und wobei zumindest ein Teil der Ecken des Vielecks des Werkstücks jeweils in einem Bereich zwischen gegenüberliegenden Ecken der Vielecke der mehreren Elektroden angeordnet sind. Hierdurch ist wiederum die Ausbildung eines optimierten Stromfelds gewährleistet, was vorteilhafte Bedingungen für eine effektive Oberflächenbearbeitung an einem Werkstück gewährleistet, das im Querschnitt als ein Vieleck ausgebildet ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, daß wenigstens eine der mehreren Elektroden formgebend ist. Eine formgebende Ausbildung der Elektrode bedeutet in der hier verwendeten Bedeutung, daß die äußere Form der Elektrode zum Ausbilden eines geeigneten Stromfelds so gestaltet ist, daß beim Bearbeiten eine gewünschte Struktur geschaffen wird.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß wenigstens eine der mehreren Elektroden eine bewegbare, während der Nutzung verlagerbare Elektrode ist. Hierdurch kann mit Hilfe der wenigstens einen Elektrode die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks abgefahren bzw. gescannt werden, um eine punktuelle Oberflächenbearbeitung zu erreichen.

Um auch kleine Werkstücke bzw. kleine Oberflächenabschnitte des zu bearbeitenden Werkstücks, beispielsweise kleine Hohlräume, bearbeiten zu können, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß wenigstens eine der mehreren Elektroden eine Mikro- bzw. Nanoelektrode ist.

Zweckmäßig ist das Werkstücks in einer einen Transport von Reaktionsprodukten/-edukten in der elektrolytischen Flüssigkeit unterstützenden Stellung angeordnet. Beispielsweise sind Hauptbearbeitungsflächen für den optimierten An- und Abtransport von gelösten Bestandteilen des Umgebungsmediums waagerecht angeordnet. Es kann auch eine lotrechte/leicht geneigte Stellung für den Abtransport von gasförmigen Reaktionsprodukten vorgesehen sein. Eine den Transport unterstützende Stellung kann beispielsweise so gewählt werden, daß im Gravitationsfeld Reaktionsprodukte/-edukte, die leichter als ein Umgebungsmedium sind, an das Werkstück besser herangeführt oder von diesen weggeführt werden

Zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise zur elektrochemischen Bearbeitung von Teilbereichen der Oberfläche eines Werkstücks, kann eine Fortbildung der Erfindung vorsehen, daß zumindest eine der mehreren Elektroden nicht-leitend isoliert ist und/oder das Werkstück an nicht elektrochemisch zu bearbeitenden Abschnitten mit Hilfe von Schutzmitteln gegen das elektrochemische Bearbeiten geschützt ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum elektrochemischen Oberflächenabtragen oder zum galvanischen Abschneiden oder zur Galvanoplastik;
1B eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks, wobei eine Elektrode eine bewegbare Elektrode ist;
1C eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks, wobei eine Elektrode eine Mikro- bzw. Nanoelektrode ist;
1D eine schematische Darstellung einer Hull-Zellen-Anordnung;
2 eine Anordnung von zwei Elektroden zum elektrochemischen Oberflächenbearbeiten eines rohrförmigen Werkstücks,
3 eine Anordnung von zwei Elektroden zum elektrochemischen Bearbeiten eines im Querschnitt viereckig ausgebildeten Werkstücks im Querschnitt; und
4 eine Anordnung von vier Elektroden zum elektrochemischen Bearbeiten eines im Querschnitt viereckig ausgebildeten Werkstücks sowie Diagramme des zeitlichen Verlaufs einer Strombeaufschlagung der vier Elektroden.
Gemäß 1 umfaßt eine Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Oberflächenbearbeiten eine Elektrode 2 und eine weitere Elektrode 3. Die Elektrode 2 und die weitere Elektrode 3 sind in einem Behälter 4 angeordnet, der mit einer elektrolytischen Flüssigkeit 5 gefüllt ist. Die beiden Elektroden 2, 3 tauchen wenigstens teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit 5 ein. Die Elektrode 2 ist mit einem Anschluß 6 einer Stromquelle 7 verbunden. Die weitere Elektrode 3 ist mit einem weiteren Anschluß 8 der Stromquelle 7 verbunden. Mit Hilfe der Stromquelle 7 können die Elektrode 2 und die weitere Elektrode 3 mit einem Strom beaufschlagt werden, so daß in einem Bereich 9 zwischen den zwei Elektroden 2, 3 ein Stromfeld ausgebildet ist.
Die in 1A schematisch gezeigte Vorrichtung kann zum elektrochemischen Form- oder Oberflächenabtragen, galvanischen oder elektrophoretischen Abscheiden oder zur Galvanoplastik genutzt werden. Der jeweiligen Anwendung entsprechend werden die beiden Elektroden 2, 3 mit dem hinsichtlich der Stromstärke und der Polarität angepaßten Strom beaufschlagt und geeignete Elektrolyten sowie Elektrodenmaterialien ausgewählt. Die Stromquelle muß den beim jeweiligen Verfahren notwendigen Leistungsanforderungen genügen. Die im Fogenden beschriebenen Merkmale der Vorrichtung 1 als auch des hiermit ausführbaren Verfahrens und die jeweils genannten Vorteile beziehen sich deshalb auf das elektrochemische Oberflächenabtragen, das elektrochemische Formabtragen und das galvanische Abscheiden als auch auf die Galvanoplastik.
Ein zu bearbeitendes Werkstück 10 ist in dem Bereich 9 angeordnet. Mit Hilfe der Strombeaufschlagung der beiden Elektroden 2, 3 wird in der elektrolytischen Flüssigkeit 5 ein massegebundener Ladungstransport ausgelöst, um beispielsweise Teilchen von einer Oberfläche des Werkstücks 10 abzutragen. Zweck des Abtragens kann das elektrochemische Glänzen, Entgraten, Beizen oder Entmetallisieren des Werkstücks 10 sein. Im Fall des elektrochemischen Formabtragens werden beispielsweise das elektrochemische Senken, Drehen, Schleifen, Hohnen und Läppen ausgeführt. Der Elektrolyt 5 wird hierbei jeweils so ausgewählt, daß das Oberflächen- bzw. Formabtragen in Abhängigkeit von einem Material des Werkstücks 10 vorteilhaft ausgeführt wird. Dieses gilt entsprechend bei der Verwendung der Vorrichtung 1 zum galvanischen Abscheiden oder zur Galvanoplastik, bei denen im allgemeinen metallische Überzüge auf dem Werkstück 10 erzeugt werden.
Beim elektrochemischen Bearbeiten mittels der Vorrichtung 1 wird das Werkstück 10 mit Hilfe eines Haltemittels 11 in dem Stromfeld gehalten, das in dem Bereich 9 zwischen den beiden Elektroden 2, 3 in dem Elektrolyten 5 ausgebildet ist. Das Werkstück 10 kann hierbei mit Hilfe des Haltemittels 11 in verschiedene Bereiche des Stromfelds bewegt werden. Es kann auch teilweise aus dem Stromfeld herausgenommen werden. Des weiteren ist ein Drehen oder eine andere Bewegung des Werkstücks 10 mit Hilfe des Haltemittels 11 in dem Stromfeld möglich.
Das Haltemittel 11 ist vorzugsweise aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet. Dieses hat den Vorteil, daß in Bereichen 12 zwischen dem Werkstück 10 und dem Haltemittel 11 elektrische Ströme zwischen dem Haltemittel 11 und dem Werkstück 10 verhindert sind. Wenn es wegen der spezifischen Ausgestaltung des Werkstücks 10 notwendig sein sollte, können weitere Haltemittel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um eine gewünschte Positionierung und Fixierung des Werkstücks 10 beim elektrochemischen Bearbeiten zu gewährleisten.
Das Haltemittel 11 kann weiterhin dazu genutzt werden, um den Oberflächenabtrag oder das Abscheiden auf der Oberfläche des Werkstücks 10 in bestimmten Bereichen zu verhindern. Es handelt sich hierbei um Bereiche der Werkstückoberfläche, die beim elektrochemischen Bearbeiten von dem Haltemittel 11 bedeckt sind.
1B zeigt die Vorrichtung 1 nach 1A , wobei anstelle der Elektrode 2 eine bewegbare Elektrode 2' vorgesehen ist. Die Elektrode 2' ist in dem Elektrolyten 5 bewegbar, so daß die Oberfläche des Werkstücks 10 mit einer Spitze 13 der Elektrode 2' abgefahren bzw. ge scannt werden kann. Hierdurch kann in Abhängigkeit vom Anwendungsfall ein Abstand der Spitze 13 von der Oberfläche des Werkstücks und die Lage der Spitze 13 zur Oberfläche des Werkstücks 10 optimal angepaßt werden.
1C zeigt eine Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Oberflächenbearbeiten, wobei im Vergleich zu 1A anstelle der Elektrode 2 eine Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' verwendet wird. Mit Hilfe der Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' können kleinste Bereiche der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 10 bearbeitet werden. Die Mikro- bzw. Nanoelektrode 2" wird zu diesem Zweck in dem zu bearbeitenden Bereich der Oberfläche des Werkstücks 10 positioniert. Hierbei wird die Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' so angeordnet, daß beim Abtragen wegen einer lotrechten Positionierung der Mikro- bzw. Nanoelektrode 2'' zur zu bearbeitenden Oberfläche Reaktionsprodukte durch die von Blasen erzeugte Konvektion abtransportiert werden können. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Werkstücks und einer Spitze 13 kann hierbei nur wenige Nanometer betragen. Sowohl das Werkstück 10 als auch die Elektrode 3 sind gemäß 1C teilweise oberflächenbeschichtet. Ein nicht-leitender Überzug 14 an der Elektrode 3 trägt zur zweckmäßigen Ausbildung des Stromfelds bei, indem der Überzug 14 die leitende Oberfläche der Elektrode 3 begrenzt. Der nicht-leitende Überzug 14 ist beispielsweise aus Kunststoff oder einem galvanobeständigen Lack. Ein nicht-leitender Überzug 15, beispielsweise aus einem Photoresist oder einem Photolaminat, an dem Werkstück 10 verhindert lokal die elektrochemische Bearbeitung in den vom Überzug 15 bedeckten Bereichen der Oberfläche des Werkstücks 10, so daß kein Abtrag oder keine Abscheidung stattfinden.
1D zeigt eine schematische Darstellung einer Hull-Zellen-Anordnung. Hull-Zellen werden zur Untersuchung galvanischer Elektrolyte und Elektropolierelektrolyte eingesetzt. Das Werkstück 10 ist gemäß 1D so angeordnet, wie es für Hull-Zellen charakteristisch ist (vgl. DIN-Norm 50957, 1978). Die Hull-Zelle ist eine kleine stationäre Galvanisierungsanlage. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Einflüsse der galvanischen Arbeitsverhältnisse (kathodische Stromdichte, Temperatur) und der Elektrolytzusammensetzung (Glanzbildner, Netzmittel, Verunreinigungen) auf die Eigenschaften des Überzugs prüfen. Die Beobachtung des in der Hull-Zelle abgeschiedenen Überzugs gibt Auskunft über den Stromdichtebereich innerhalb dessen sich bei gegebener Temperatur und Elektrolyt-Zusammensetzung technisch brauch bare Überzüge herstellen lassen. Die in 1D dargestellte Hull-Zellen-Anordnung kann für die Untersuchung von Elektrolyten beim elektrochemischen Abtragen und Abscheiden und die Untersuchung von Elektrolyten auf ihre Einsatztauglichkeit für diese Verfahren genutzt werden.
Das elektrochemische Bearbeiten des Werkstücks 10 ist dann besonders effizient ausführbar, wenn mit Hilfe der Elektroden 2, 3 das Stromfeld so gestaltet wird, daß in vorgegebenen Bereichen der Oberfläche des Werkstücks 10 eine Bearbeitung in der gewünschten Form stattfindet. Zu diesem Zweck werden die beiden Elektroden 2, 3 bezüglich ihrer Form und ihrer Größe sowie der verwendeten Materialien der jeweiligen Anwendung entsprechend an die äußere Form und/oder die Materialien des Werkstücks 10 angepaßt. Die beiden Elektroden 2, 3 sind hierbei so gestaltet, daß in einzelnen Bereichen der Oberflächen des Werkstücks 10 die elektrochemische Reaktion ablaufen kann, die zu der jeweils beabsichtigen Oberflächenbearbeitung führt.
Bei einer Anwendung kann beispielsweise eine Ausbildung der beiden Elektroden 2, 3 vorgesehen sein, die zu einer an der Oberfläche eines rohrförmigen Werkstücks 20 im wesentlichen homogen Ladungsverteilung führt. Um eine solche homogene Ladungsverteilung zu erreichen, wenn das rohrförmige Werkstück 20 (vgl. 2) zu bearbeiten ist, ist eine Elektrode 21 vorzugsweise rohrförmig ausgebildet. Um das rohrförmige Werkstück 20 zweckmäßig bearbeiten zu können, ist das rohrförmige Werkstück 20 von der einen Elektrode 21 umgeben. In einen hohlraumartigen Innenraum 23 des rohrförmigen Werkstücks 20 ist die weitere Elektrode 22 angeordnet. Mit Hilfe der in 2 dargestellten Ausbildung der beiden Elektroden 21, 22 und deren Anordnung hinsichtlich des rohrförmigen Werkstücks 20 ist eine Bearbeitung der Oberfläche des rohrförmigen Werkstücks 20 möglich, die in allen Bereichen der Oberfläche im wesentlichen gleichmäßig wirkt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Elektrode 30 ein zu bearbeitendes Werkstück 33 umgibt, und eine andere Elektrode 31 im Inneren des Werkstücks 33 angeordnet ist. Die Elektroden 30, 31 weisen im Querschnitt jeweils vier Ecken 32 auf, um das im Querschnitt viereckig ausgebildetes Werkstück 33 elektrochemisch bearbeiten zu können. Seiten 34 der einen Elektrode 31 sind nach Innen gewölbt. In gleicher Weise sind Seiten 35 der anderen Elektrode 30 nach Innen gewölbt, wobei die andere Elektrode 30 vorzugsweise als eine Vollmaterialelektrode ausgebildet ist. Die Konstruktion der Seiten 34, 35 der einen und der weiteren Elektrode 30, 31 ist n gleicher Weise auf Elektroden übertragbar, die zwei, drei oder mehr als vier Ecken 32 aufweisen.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind jeweils insgesamt zwei Elektroden 2, 3; 21, 22 bzw. 30, 31 vorgesehen. Zur Ausbildung einer optimierten elektrochemischen Reaktion auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks kann jedoch vorgesehen sein, mehr als zwei Elektroden zu nutzen. In 4 ist dies beispielhaft in Verbindung mit dem Werkstück 33 dargestellt. Es sind fünf Elektroden 40, 41, 42, 43, 44 vorgesehen, wobei die Elektroden 41, 42, 43 und 44 das Werkstück 33 umgeben. Die Anzahl der Elektroden ist grundsätzlich beliebig und kann in Abhängigkeit von der spezifischen Ausprägung des Werkstücks und der der jeweiligen Anwendung entsprechenden elektrochemischen Oberflächenbearbeitung gewählt werden.
Die Elektroden 40, 41, 42, 43, 44 können jeweils mit einem zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagt werden, der ein beliebiges Frequenzspektrum und beliebige Zeitverläufe der Amplitude aufweisen kann. Die zeitlichen Verläufe der beaufschlagten Ströme sind so abzustimmen, daß einige der Elektroden 40, 41, 42, 43, 44 zu einem Zeitpunkt positiv geladen und die übrigen der Elektroden 40, 41, 42, 43, 44 negativ geladen sind. Die Wahl welche der Elektroden 40, 41, 42, 43, 44 zu welchem Zeitpunkt welche Ladung aufweist hängt von dem zur Bearbeitung gewünschten Stromfeld ab. Beispielsweise wirken die Elektroden 41-44 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt als Anode, während die Elektrode 40 als Kathode wirkt. Zur Bildung von Anode und Kathode können die Elektroden 40, 41, 42, 43, 44 beliebig miteinander kombiniert werden, was mit Hilfe einer gezielten Strombeaufschlagung erreicht wird.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind jeweils insgesamt zwei Elektroden 2, 3; 21, 22 bzw. 30, 31 vorgesehen. Zur Ausbildung einer optimierten elektrochemischen Reaktion auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks kann jedoch vorgesehen sein, mehr als zwei Elektroden zu nutzen. In 4 ist dies beispielhaft in Verbindung mit dem Werkstück 33 dargestellt. Es sind vier Elektroden 41, 42, 43, 44 vorgesehen, wobei die Elektroden 41, 42, 43 und 44 das Werkstück 33 umgeben. Die Anzahl der Elektroden ist grund sätzlich beliebig und kann in Abhängigkeit von der spezifischen Ausprägung des Werkstücks und der der jeweiligen Anwendung entsprechenden elektrochemischen Oberflächenbearbeitung gewählt werden.
4 zeigt weiterhin eine beispielhafte Stombeaufschlagung bei der Bearbeitung des Werkstücks 33. Die Elektroden 41, 42, 43, 44 sind vorteilhafterweise hinsichtlich ihrer Form optimiert, um eine gleichmäßige Stromdichteverteilung an dem Werkstück zu liefern. Die Elektroden 41, 42, 43, 44 werden jeweils mit gepulsten Strömen beaufschlagt. Der Verlauf des jeweiligen Stroms ist in 4 in einem jeweils zugehörigen Diagramm dargestellt. Die Stromverläufe können einer beliebigen periodischen Funktion oder einem chaotischen Verlauf entsprechen.
Hierbei kann die Anzahl der Elektroden 41, 42, 43, 44 so gewählt werden, daß mit gepulsten Spannungen bzw. Strömen eine oder mehrere der Elektroden 41, 42, 43, 44 die Kathode bilden und die anderen der Elektroden 41, 42, 43, 44 die Anode bilden, wenn im Falle des elektrochemischen Abtragens an der Anode ein hoher Strom (bzw. eine hohe Spannung) erforderlich ist. Sind nur geringe kathodische Spannungen bzw. Ströme erwünscht, um nicht erwünschte Abscheidungsreaktionen zu vermeiden, ist eine größere Anzahl der Elektroden 41, 42, 43, 44 jeweils als Kathode auszubilden, diese bilden dann gemeinsam die Kathode für einen vorgegebenen Zeitraum.
4 zeigt beispielhaft den Fall, daß drei der Elektroden 41, 42, 43, 44 jeweils eine Kathode bilden, während zur gleichen Zeit eine der Elektroden 41, 42, 43, 44 als Anode genutzt wird. Während eines anderen Zeitraums bildet eine der Elektrode 41, 42, 43, 44 die Anode, und die anderen drei der Elektroden 41, 42, 43, 44 bilden die Kathode. Die Anzahl von Kathoden/Gegenelektroden zu einem bestimmten Zeitpunkt des elektrochemischen Bearbeitens wird in Abhängigkeit vom Strom, bei dem unerwünschte Reaktionen vermieden sind, und der zugehörigen Spannung gewählt. Im Falle des Abscheidens ist die Polung umzukehren.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsform von Bedeutung sein.

Claims

Vorrichtung (1) zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstück (10) mit mehreren Elektroden (2, 3), die mit einem von einer Stromquelle (7) erzeugbaren Strom so beaufschlagt werden können, daß mittels der mehreren Elektroden (2, 3) in einer elektrolytischen Flüssigkeit (5) ein Stromfeld ausgebildet ist, wenn die mehreren Elektroden (2, 3) jeweils wenigstens teilweise in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Elektroden (2, 3) getrennt von dem Werkstück (10) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Haltemittel (11) zum halten des Werkstücks (10), wobei die Haltemittel (11) aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (11) so ausgebildet sind, daß eine Befestigungsstellung des Werkstücks (10) an den Haltemitteln (11) verändert werden kann.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstruktion der mehreren Elektroden (2, 3; 21, 22; 30, 31 bzw. 40–44), insbesondere im Hinblick auf eine äußere Form, eine Größe und ein oder mehrere Materialien der mehreren Elektroden (2, 3; 21, 22; 30, 31 bzw. 40–44) so aufeinander abgestimmt ist, daß das Stromfeld an Parameter des Werkstücks (10, 20, 33), beispielsweise eine äußere Form und eine Größe des Werkstücks (10, 20, 33) angepaßt ist, so daß auf der Oberfläche des Werkstücks (10, 20, 33) eine optimierte Oberflächenreaktion ablaufen kann.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Werkstück (20, 33) wenigstens einen Hohlraum aufweist, wobei eine der mehreren Elektroden (22 bzw. 31) zumindest teilweise in dem wenigstens einen Hohlraum angeordnet werden kann.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß beim elektrochemischen Bearbeiten eine andere der mehreren Elektroden (21; 30 bzw. 41–44) das Werkstück (20, 33) zumindest teilweise umgibt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (22) einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweist, daß die andere Elektrode (21) als eine rohrförmige Elektrode ausgebildet ist, und daß das Werkstück (20) als ein rohrförmiger Körper ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (33) und die mehreren Elektroden (30, 31) im Querschnitt jeweils als ein Vieleck mit n Ecken (n = 3, 4,...) ausgebildet sind, wobei Seiten (34, 35) der Vielecke der beiden Elektroden (30, 31) beispielsweise jeweils nach innen gewölbt sind, wobei die beiden Elektroden (30, 31) zueinander so ausgerichtet sind, daß sich jeweils eine Ecke des Vielecks der einen Elektrode (30) und eine Ecke des Vielecks der anderen Elektrode (31) gegenüberliegen, und wobei zumindest ein Teil der Ecken des Vielecks des Werkstücks (33) jeweils in einem Bereich zwischen gegenüberliegenden Ecken der Vielecke der beiden Elektroden (30, 31) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens eine der mehreren Elektroden formgebend ist.
V orrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der mehreren Elektroden eine bewegbare, während der Nutzung verlagerbare Elektrode (2^' ) ist.
V orrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens eine der mehreren Elektroden (2'') eine Mikro- bzw. Nanoelektrode ist.
V orrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Werkstücks (10) in einer einen Transport von Reaktionsprodukten in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) unterstützenden Stellung angeordnet ist.
V orrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest eine der mehreren Elektroden nicht-leitend isoliert ist und/oder das Werkstück (10) an nicht elektrochemisch zu bearbeitenden Abschnitten mit Hilfe von Schutzmitteln gegen das elektrochemische Bearbeiten geschützt ist.
Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks (10), wobei bei dem Verfahren mehrere mit einer Stromquelle (7) verbundene Elektroden (2, 3) jeweils wenigstens teilweise in einer elektrolytischen Flüssigkeit (5) angeordnet und mit einem von der Stromquelle erzeugten Strom so beaufschlagt werden, daß in der elektrolytischen Flüssigkeit (5) mittels der mehreren Elektroden (2, 3) ein Stromfeld ausgebildet wird, und wobei das Werkstück (10) zumindest teilweise in dem Stromfeld, getrennt von den mehreren Elektroden (2, 3) angeordnet wird.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Verfahrens nach Anspruch 14 zum elektrochemischen Form- und/oder Oberflächenabtragen.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Verfahrens nach Anspruch 14 zum elektrophoretischen Abscheiden.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Verfahrens nach Anspruch 14 zum galvanischen Abscheiden oder zur Galvanoplastik, wobei das Werkstück zum Zwecke des elektrochemischen Bearbeitens leitend gemacht wird oder metallisch leitend ist.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Verfahrens nach Anspruch 14 zum Reduzieren von Metall-oxid/Metalloxidschichten auf einem Werkstück.