Meso - Micro EDM - ETH E

DISS. ETH No. 22024
Meso - Micro EDM
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Umang Maradia
MSc ETH ME
th
born on 24 December 1985
citizen of India
accepted on the recommendation of
Prof. Dr.-Ing. Konrad Wegener, examiner
Dipl. El. Ing. Marco Boccadoro, co-examiner
Prof. Dr.-Phys. Ivano Beltrami, co-examiner
2014
Abstract
Integration of breakthroughs in micro- and nano-technology into consumer products to save energy, space and
increase mobility is only possible if cost effective manufacturing of miniature devices is realised. Current process
chains for mass manufacturing of miniature components lack a machining process which is able to produce high
precision features with macro to micro scale dimensions from hard materials. The trend of hybrid solutions such as
micromilling and micro-EDM milling requires upgrade of workshops resulting in high investment costs and
personnel training, restricting its acceptance in industry. Thus, aim of current work is to establish die-sinking EDM
as an efficient machining process to manufacture miniature dies and moulds, with smallest dimensions below 1mm.
High electrode wear and machining of complex electrodes in micro-scale are considered to be the main
challenges for micro die-sinking EDM. Thus, a strategy is developed to machine micro-electrodes with high aspect
ratios and form accuracy from the conventional electrode materials, graphite and copper. Through process
analysis, a low wear strategy consisting of wear-neutral pulse packets is conceptualised. A long duration pulse is
used to generate protective carbonaceous layer on the micro scale electrodes, followed by a group of short
duration pulses to remove the generated build-up, thus delivering virtually zero-wear. Electrodes with a cross
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section as small as 0.04 mm have been used to erode cavities with near zero-wear in steel 1.2343 and with aspect
ratio greater than 10. In-depth analysis of the protective carbonaceous layer reveals diamond like carbon. Also, a
simple thermal model is proposed to predict the pulse duration values at which near-zero wear can be achieved.
The optimal pulse durations required to achieve the highest material removal rate are found to be dependent on
the electrode projection area. Short duration pulses (20 µs) result in high material removal rate for micro-electrodes
compared to the long durations (> 150 µs) for macro electrodes. High-speed imaging in quasi-real erosion
conditions reveal the gas bubble dynamics, where erosion in a micro-cavity leads to smaller material removal per
discharge partially due to lack of gas bubble implosion. Time-resolved optical plasma spectroscopy of single
discharges reveals evolution of plasma constituents, where metallic vapour increases with increasing pulse
duration and decreasing instantaneous electrode area, contributing to the scaling effects. Also, simulations of
material removal by a single discharge are correlated with calculated mean material removal in the multi-discharge
erosion process, in order to consolidate the used boundary conditions for simulations by different researchers.
Using concurrent visual and electrical signal information of the sparks in quasi-real erosion conditions,
dependence of mean discharge voltage on the spark location is established, enabling an adaptive process
parameter control at the micro-second level for each spark. The benefits are low corner - edge wear, and near-zero
frontal wear without increasing the machining time for combination electrodes consisting of macro to micro scale
dimensions. Lateral spark suppression further leads to better form accuracy, lower side gap, lower re-solidified
layer thickness and burrs and reduced electrode vibrations. Also, a low stray capacitance electrical circuit of the
machine tool along with stochastic orbiting of tool electrode facilitates super-finishing of free-form surface with Ra <
0.1 µm in meso-micro scale, without the need to pre-polish copper electrodes.
Advances and knowledge gained from the research is demonstrated by machining simultaneous micro-features
and macro to micro scale features. Through resource efficiency, an economic and energy efficient micromachining
process, namely meso-micro EDM is realised, supporting the sustainable growth of product miniaturisation.
III
Zusammenfassung
Der Durchbruch der Mikro- und Nanotechnologie im den Konsumgüterbereich, mit der Forderung von Energieund Platzeinsparung sowie erhöhter Mobilität, ist nur durch kosteneffiziente Herstellung von miniaturisierten
Bauteilen realisierbar. In herkömmlichen Prozessketten für die Massenherstellung von solchen miniaturisierten
Bauteilen fehlt ein Bearbeitungsprozess, welcher hochpräzise Merkmale in harten Materialien sowohl an
grossen/makroskopischen wie kleinsten/mikroskopischen Objekten erzeugen kann. Der Trend von
Hybridprozessen wie z.B. Mikrofräsen / Mikro-EDM bedingt einen Ausbau der Werkstätten, welcher von hohen
Investitionen und intensiver Personalschulung begleitet ist. Solche Aufwendungen können in der Industrie nicht
unmittelbar getätigt werden. In dieser Hinsicht soll die vorliegende Arbeit das Senkerodieren als effizienten Prozess
zur Bearbeitung von miniaturisierten Abformwerkzeugen mit Geometriemerkmalen < 1 mm etablieren.
Die grössten Herausforderungen beim Mikrosenkerodieren sind der hohe Elektrodenverschleiss und die
Herstellung von komplexen Mikroelektroden. Dazu wurden Technologien für die Bearbeitung von Mikroelektroden
mit sehr hohen Seitenverhältnissen sowie hohen Formgenauigkeiten in üblichen Materialien wie Graphit und
Kupfer entwickelt. Über eine sorgältige Prozessanalyse konnte eine Niedrigverschleissstrategie entwickelt werden,
bei der mit verschleissneutralen Pulsfolgen erodiert wird. Ein Langzeit-Strompuls erzeugt eine kohlenstoffhaltige
Schicht auf der Mikroelektrode - identifiziert als diamant-ähnliche Kohlenstoffschicht - gefolgt von mehreren
Kurzzeit-Srompulsen. Diese tragen die erzeugte Schicht wieder ab, was praktisch Nullverschleiss ergibt.
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Elektroden mit einem Querschnitt von 0.04 mm und einem Seitenverhältnis >10 wurden zum nahezu
verschleissfreien Erodieren von Kavitäten in Stahl 1.2343 benutzt. Zudem wurde ein thermisches Modell zur
Vorhersage von Pulszeiten entworfen, die faktisch frontalen und lateralen Elektrodenverschleiss verhindern.
Skalierungseffekte zwischen Elektrodengrösse und Pulsdauer konnten beobachtet werden, d.h. optimale
Pulslängen sind bei kleinen Elektrodenquerschnitten kürzer als die bei grossen Elektrodenquerschnitten.
Hochgeschwindigkeitsaufnahmen unter realitätsnahen Bedingungen zeigen eine Gasblasen-Dynamik, bei der die
Erosion in Mikrokavitäten zu kleinerem Materialabtrag pro Funken führt. Die beobachtete Gasblasendynamik
behindert die Mikroerosion, das Gasimplosionen fehlen. Zeitaufgelöste optische Plasmaspektroskopie von
Einzelentladungen zeigt, dass mit zunehmender Funkenzeit das Plasma immer mehr Metallanteile aufnimmt. Die
Zunahme metallischer Anteile wird auch für abnehmende Elektrodenquerschnitte beobachtet. Auch wurde der
simulierte Materialabtrag bei Einzelfunken mit dem berechneten, mittleren Materialabtrag beim
Multifunkenerosionsprozess korreliert. Dies, um die benützten Randbedingungen der Modellierung für den
Materialabtrag zu fundieren.
Durch die simultane Erfassung von visuellen und elektrischen Signalen an einem realitätsnahen
Erosionsprozess konnte die Abhängigkeit des Funkenortes von der mittleren Entladungsspannung ermittelt
werden. Somit wird eine adaptive Prozessparameterregelung im Mikrosekundentakt ermöglicht. Die daraus
erwachsenden Vorteile sind ein tiefer Ecken- und Kantenverschleiss sowie praktisch kein Abbrand an der
Elektrodenfront, ohne dabei die Bearbeitungszeit zu erhöhen. Zugleich findet diese Technologie Anwendung bei
Kombielektroden, welche Makro- und Mikrogeometrien enthalten. Die Unterdrückung von lateralen Funken führt
zudem zu erhöhter Formgenauigkeit, kleinerem Erosionsspalt, geringerer wärmebeeinflusster Zone, weniger Grat,
verringerter Elektrodenvibration und dadurch kleinerem Elektrodenbruchrisiko sowie zu einem stabileren Prozess
ohne Oberflächendefekte. Die Kombination von tiefer Streukapazität im elektrischen Schaltkreis zusammen mit
einer stochastischen Verfahrbahn der Elektrode erleichtert das Superfinishing mit R a < 0.1 µm von Freiformflächen.
In der Forschung gemachte Fortschritte und gewonnenes Know How wurden durch gleichzeitiges Bearbeiten
von Mikro- und Makro- / Meso-Geometrien demonstriert. Durch Erreichen einer hohen Ressourceneffizienz wird
der ökonomisch und energieeffiziente Mikrobearbeitungsprozess „Meso-Mikro EDM“ realisiert, welcher das
nachhaltige Wachstum der Produktminiaturisierung unterstützt.
IV
Riassunto
L’ introduzione di soluzioni innovative nelle micro e nanotecnologie applicate nei prodotti di consumo aventi l’
obiettivo di risparmiare energia, spazio e aumentare la mobilità è possibile solo se realizzabili tramite una metodo
di produzione redditizio. Negli attuali processi di produzione di massa per componenti miniaturizzati vi è un’
assenza di un sistema di lavorazione in grado di creare elementi di alta precisione dalle macro alle micro
dimensioni in materiali ad alta durezza. Le attuali tendenze con soluzioni ibride, come la micro fresatura e la microerosione fresatura, richiedono aggiornamenti nei laboratori, di conseguenza grossi investimenti e ulteriore
formazione di personale; questo ne limita l’introduzione nelle industrie. Scopo di questo lavoro è quindi quello di
portare l’elettroerosione a tuffo come processo di lavorazione efficiente per produrre stampi e matrici dalle
dimensione inferiori al millimetro.
L’ esecuzione di micro-elettrodi complessi e la loro alta usura sono considerate le sfide principali per la micro
erosione a tuffo. Per questo occorre sviluppare una tecnologia che permetta di lavorare con questi elettrodi
dagl’importanti rapporto di forma e precisione, ottenuti con materiali quali grafite e rame. Attraverso l’analisi del
processo di erosione, sarà strutturata una strategia atta ad ottenere una bassa usura, basata su pacchetti d’impulsi
particolari. Un impulso di lunga durata è utilizzato onde generare uno strato protettivo di carbonio sui microelettrodi, esso è poi seguito da una serie di impulsi corti incaricati di rimuovere lo strato stesso, ottenendo così
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come risultato finale un’usura dell’ elettrodo nulla. Elettrodi dalla superficie sezionale minore di 0.04 mm sono stati
usati per erodere con usura quasi zero l’acciaio 1.2343, con rapporti di forma più grandi di 10.Un analisi
approfondita dello stato protettivo di carbonio ha rilevato carbonio tipo diamante. Viene inoltre proposto un
semplice modello termico con l’obiettivo di prevedere i valori del tempo d’impulso che comportino un usura quasi
nulla a livello frontale e laterale.
Effetti di scala sono osservati sotto l’ aspetto della ricerca della durata dell’impulso che conduca alla più alta
velocità di asportazione del materiale. Impulsi di corta durata (20 µs) comportano una velocità d’ asportazione alta
per micro-elettrodi, mentre impulsi più lunghi (> 150 µs) sono richiesti per elettrodi maggiori. Imaggini ad alta
velocità in condizioni vicine a quelle della normale erosione svelano la dinamica delle bolle di gas, in cui l’erosione
in micro-cavità conduce ad una minore velocità d’asportazione per ogni scarica, parzialmente dovuta alla
mancanza dell’ implosione della bolla di gas. Spettroscopia plasma ottica risolta in tempo di single scariche
rilevano l’ evoluzione del plasma costituito, i vapori metallici aumentano con l’ incremento della durata d’ impulso e
diminuiscono con la superficie dell’ elettrodo, contribuendo così all’ effetto di scala. Anche le simulazioni
dell’asportazione per ogni singola scarica sono correlate con l’asportazione media ottenuta con le varie scariche
del processo di erosione, consolidando così le condizioni al contorno utilizzate per le simulazioni di rimozione del
materiale da parte dei ricercatori.
Tramite la sincronizzazione dell’immagine visiva ed il segnale elettrico di ogni singola scarica in condizioni di
erosione quasi-reali, la relazione tra il valore medio della tensione di scarica e la posizione della scintilla è
identificato, permettendo così un controllo adattativo dei parametri del processo per ogni scarica a livello di micro
secondo. I benefici sono bassa usura negli spigoli e negl’ angoli e usura frontale quasi-zero, senza causare un
incremento dei tempi di lavorazione per combinazione di elettrodi combinati costituiti da parti nella scala macro e
micro. La soppressione delle scariche laterali conduce inoltre ad una precisione di forma più alta, minore gap
laterale, minore spessore dello strato risolidificato e soppressione di sbavature, le vibrazioni dell’elettrodo sono
ridotte ed il processo più stabile annulla difetti come sovra-asportazione. Anche una bassa capacità parassita
dell’impianto ed un utilizzo di un’orbitazione stocastica del elettrodo facilitano la super-finitura di forme libere di
superficie con Ra < 0.1 µm in meso-micro scala, senza la necessità di utilizzare elettrodi di rame pre-lucidati.
I progressi e le conoscenze acquisite da questa ricerca sono dimostrati lavorando simultaneamente microcavità e macro al micro scala cavità Grazie ad un uso efficace delle risorse è realizzato un economico ed
energeticamente efficiente processo di microlavorazione, denominato meso-micro EDM, supportando così una
crescita sostenibile della miniaturizzazione dei prodotti.
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