Die Herstellung von Präzisionsteilen mit konventionellen CNC-Maschinen bedeutet oft, dass man mit Werkzeugverformung, Materialhärtebeschränkungen und hitzebedingtem Verzug zu kämpfen hat. Selbst mit der besten Ausrüstung bleibt das Erreichen extremer Präzision eine Herausforderung, die Zeit und Geld kostet, wenn Teile nachbearbeitet werden müssen.

EDM (Electrical Discharge Machining) erreicht eine höhere Präzision als die herkömmliche CNC-Bearbeitung, da es ohne physischen Kontakt arbeitet und somit Schnittkräfte und Werkzeugverformung eliminiert werden. EDM kann jedes elektrisch leitfähige Material unabhängig von seiner Härte bearbeiten und komplexe Geometrien mit scharfen Ecken erzeugen, die mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen unmöglich wären.

Im Folgenden erfahren Sie, warum die Funkenerosion eine so hohe Präzision bietet und wann Sie sie für Ihre Fertigungsaufgaben in Betracht ziehen sollten.

Warum schneidet die Funkenerosion bei harten Materialien besser ab als die CNC?

Die herkömmliche CNC-Bearbeitung von gehärteten Werkstoffen führt häufig zu schnellem Werkzeugverschleiß, schlechter Oberflächenqualität und Maßabweichungen. Diese Herausforderungen werden besonders bei der Bearbeitung von Werkzeugstählen über HRC 50 deutlich und verursachen Projektverzögerungen und Kostenüberschreitungen.

Erodieren eignet sich hervorragend für harte Werkstoffe, da das Material durch elektrische Entladungserosion und nicht durch physikalisches Schneiden entfernt wird. Dieses Verfahren funktioniert unabhängig von der Materialhärte - sogar bei Materialien mit einer Härte von mehr als 60-70 HRC - ohne Werkzeugverschleiß, mit gleichbleibender Genauigkeit und ausgezeichneter Oberflächengüte.

Der grundlegende Unterschied zwischen EDM und konventioneller CNC-Bearbeitung liegt in der Materialabtragungsverfahren¹. Während bei der CNC-Bearbeitung die Schneidwerkzeuge in direktem Kontakt mit dem Werkstück stehen, werden beim Erodieren elektrische Entladungen (Funken) verwendet, um das Material zu erodieren. Dieser grundsätzliche Unterschied schafft mehrere deutliche Vorteile bei der Arbeit mit harte Materialien².

Da das Funkenerodieren nicht von der Materialhärte abhängt, können extrem harte Legierungen, die herkömmliche Schneidwerkzeuge schnell abstumpfen lassen würden, problemlos bearbeitet werden. Der Funkenerosionsprozess verdampft mikroskopisch kleine Teile des Materials unabhängig von dessen Härte, wodurch selbst bei den härtesten Stählen, Wolframkarbiden und exotischen Legierungen für die Luft- und Raumfahrt gleichbleibende Materialabtragsraten erzielt werden.

Da es keinen physischen Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück gibt, entfallen beim Erodieren die mechanischen Belastungen, die bei der herkömmlichen Bearbeitung auftreten. Wenn CNC-Maschinen sehr harte Werkstoffe schneiden, erzeugen sie erhebliche Schnittkräfte, die diese verursachen können:

• Werkzeugverformung und Vibration
• Bewegung oder Verformung des Werkstücks
• Beschleunigter Werkzeugverschleiß
• Wärmestau an der Schnittkante

Diese Probleme machen das Erreichen enger Toleranzen bei harten Materialien extrem schwierig. Im Gegensatz dazu sorgt das berührungslose Verfahren der Funkenerosion für gleichbleibende Präzision während des gesamten Vorgangs, unabhängig von der Materialhärte. Das Fehlen von Schnittkräften bedeutet auch, dass empfindliche oder dünnwandige Teile ohne Verformung bearbeitet werden können.

Bei der herkömmlichen CNC-Bearbeitung entsteht an der Schneide erhebliche Hitze, die die Materialeigenschaften von Werkstück und Werkzeug verändern kann. Bei harten Werkstoffen wird diese Wärme noch konzentrierter und problematischer. Auch beim Erodieren entsteht Wärme, aber sie wird genau kontrolliert und ist auf einen mikroskopisch kleinen Bereich an der Funkenstelle begrenzt. Außerdem spült und kühlt die dielektrische Flüssigkeit den Arbeitsbereich kontinuierlich und verhindert so einen Wärmestau.

Die Stabilität des Erodierverfahrens bei harten Werkstoffen führt zu hervorragenden Oberflächengüten. Während bei der konventionellen Bearbeitung von gehärteten Werkstoffen aufgrund von Werkzeugverschleiß und Vibrationen oft eine uneinheitliche Oberflächenqualität entsteht, kann das Erodieren durch kontrollierte Schlichtdurchgänge spiegelglatte Oberflächen (bis zu Ra 0,1μm) erzielen. Dadurch wird die Notwendigkeit nachfolgender Schleif- oder Poliervorgänge erheblich reduziert oder ganz vermieden.

Bei der Konstruktion komplexer Komponenten aus harten Werkstoffen beseitigt die Funkenerosion viele der durch physische Schneidwerkzeuge auferlegten Beschränkungen. Merkmale, die bei der konventionellen Bearbeitung extrem schwierig oder unmöglich wären - wie scharfe Innenecken, tiefe, schmale Schlitze und komplizierte Details - lassen sich mit der Funkenerosion leicht verwirklichen und erweitern die Konstruktionsmöglichkeiten.

Warum wird die Funkenerosion für hochpräzise Formen der CNC vorgezogen?

Bei der Herstellung von Präzisionsformen mit CNC-Bearbeitung stößt man oft an Grenzen - schwer zugängliche Bereiche, komplexe Konturen und gehärtete Materialien, die sich einer konventionellen Bearbeitung widersetzen. Diese Herausforderungen können zu kompromittierten Designs und verminderter Formleistung führen.

Die Funkenerosion wird für hochpräzise Formen bevorzugt, da sie komplexe Formen mit scharfen Innenecken, tiefen Hohlräumen und komplizierten Details erzeugen kann, die Schneidwerkzeuge nicht erreichen können. Da es keinen physischen Kontakt gibt, bleiben dünnwandige Merkmale unverzerrt, und gehärtete Materialien können direkt nach der Wärmebehandlung bearbeitet werden, was die Maßhaltigkeit gewährleistet.

Der Formenbau erfordert außergewöhnliche Präzision, komplexe Geometrien und die Fähigkeit, mit gehärteten Materialien zu arbeiten - eine Kombination von Anforderungen, die das Erodieren in diesem Bereich besonders wertvoll macht. Lassen Sie mich erklären, warum die Funkenerosion die bevorzugte Wahl für den hochpräzisen Formenbau geworden ist.

Einer der größten Vorteile der Funkenerosion im Formenbau ist ihre Fähigkeit, komplexe Innenformen und scharfe Ecken zu erzeugen. Die herkömmliche CNC-Bearbeitung ist durch die physischen Abmessungen der Schneidwerkzeuge begrenzt - ein Schaftfräser kann keine Innenecke erzeugen, die schärfer ist als sein eigener Radius. Beim Senkerodieren können die Elektroden so hergestellt werden, dass sie genau der gewünschten Kavitätenform entsprechen, wodurch scharfe Ecken und komplexe Geometrien möglich sind. Das Drahterodieren kann extrem scharfe Ecken erzeugen, die nur durch den Drahtdurchmesser (bis zu 0,02 mm) begrenzt sind, und ermöglicht so komplizierte Details, die mit herkömmlichen Schneidverfahren nicht möglich sind.

EDM kann Folgendes erreichen engste Toleranzen von ±0,0002 Zoll³ (0,005 mm), was für Präzisionsformteile, bei denen es auf Passform und Funktion ankommt, entscheidend ist. Dieses Genauigkeitsniveau ist bei der konventionellen Bearbeitung nur schwer einzuhalten, vor allem wenn man mit gehärteten Materialien arbeitet. Die Fähigkeit, solch enge Toleranzen konstant einzuhalten, macht die Funkenerosion ideal für die Herstellung von Präzisionsbauteilen in Formzusammensetzungen.

Viele Formen erfordern tiefe, enge Kavitäten oder feine Details in schwer zugänglichen Bereichen. CNC-Maschinen haben mit solchen Merkmalen aufgrund von Werkzeuglängenbeschränkungen und Durchbiegungsproblemen Schwierigkeiten. EDM zeichnet sich hier aus, weil:

• Senkerosionselektroden können speziell für das Eindringen in tiefe Hohlräume entwickelt werden.
• Drahterodieren kann die gesamte Materialstärke mit gleichbleibender Genauigkeit durchschneiden
• Unabhängig von der Schnitttiefe oder Komplexität tritt keine Werkzeugverformung auf

Formteile werden in der Regel einer Wärmebehandlung unterzogen, um die für Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit erforderliche Härte zu erreichen. Bei der konventionellen Bearbeitung gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Bearbeiten Sie die Form vor der Wärmebehandlung, und kümmern Sie sich anschließend um die Verformung
2. Der Versuch, das extrem harte Material nach der Wärmebehandlung zu bearbeiten, führt zu Werkzeugverschleiß und Präzisionsproblemen.

Die Funkenerosion beseitigt dieses Dilemma vollständig, da sie auch bei gehärteten Materialien gut funktioniert. So können Formenbauer die Bauteile zunächst wärmebehandeln und anschließend präzise Erodiervorgänge durchführen, um die Maßhaltigkeit während der gesamten Lebensdauer der Form zu gewährleisten.

Die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit wirkt sich direkt auf das Aussehen und die Ablöseeigenschaften von Formteilen aus. Mit der Funkenerosion lassen sich außergewöhnlich glatte Oberflächen erzeugen (spiegelglatt mit feinen Endbearbeitungsdurchgängen), die bei geeigneter Steuerung etwa 5 RMS (4 Mikrozoll Ra) erreichen. Dies reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit, tiefe Hohlräume oder komplexe Konturen von Hand zu polieren, was Zeit spart und gleichzeitig eine gleichbleibende Oberflächenqualität in der gesamten Form gewährleistet.

Moderne Formen verfügen oft über komplexe Kühlkanäle, um die Zykluszeiten und die Qualität der Teile zu verbessern. Diese konforme Kühlkonstruktionen⁴ sind mit konventioneller Bearbeitung nur schwer oder gar nicht zu realisieren. Die Funkenerosion ermöglicht die Schaffung komplexer interner Durchgänge und Kühlnetze, die der Kontur der Formoberfläche folgen und das Wärmemanagement optimieren.

Für Formen, die strukturierte Oberflächen oder spezielle Merkmale erfordern, bietet das EDM einzigartige Möglichkeiten. Mit Hilfe von speziell entwickelten Elektroden können spezifische Texturmuster direkt in den Formhohlraum "eingebrannt" werden. Darüber hinaus kann das Erodieren mikroskopisch kleine Oberflächenmerkmale erzeugen, die die Entformung des Teils verbessern oder spezielle Oberflächenmerkmale auf dem geformten Produkt erzeugen.

Bei der Herstellung mehrerer identischer Formeinsätze oder Komponenten gewährleistet die Funkenerosion eine außergewöhnliche Wiederholbarkeit. Sobald die Elektrode (beim Senkerodieren) oder das Programm (beim Drahterodieren) erstellt ist, kann der Prozess mit hoher Konsistenz wiederholt werden, wodurch eine identische Leistung über mehrere Formhohlräume oder Ersatzkomponenten hinweg gewährleistet wird.

Welche Beschränkungen hat die CNC, die das Erodieren durch Brennen überwindet?

Die CNC-Bearbeitung stößt bei der Bearbeitung von gehärteten Werkstoffen, bei der Erstellung komplexer Geometrien oder bei der Erzielung extremer Präzision auf grundlegende Einschränkungen. Diese Beschränkungen zwingen oft zu konstruktiven Kompromissen oder machen Mehrfachbearbeitungen auf verschiedenen Maschinen erforderlich.

Das Funkenerodieren überwindet die Grenzen der CNC-Bearbeitung, indem es kontrollierte elektrische Entladungen anstelle des physischen Schneidens einsetzt. Dieser "brennende" Prozess ermöglicht es dem Erodieren, jedes leitfähige Material unabhängig von seiner Härte zu bearbeiten, scharfe Innenecken zu erzeugen, die mit rotierenden Werkzeugen unmöglich sind, die Präzision bei empfindlichen Merkmalen aufrechtzuerhalten und den Werkzeugdruck zu eliminieren, der Ablenkung und Vibrationen verursacht.

Die CNC-Bearbeitung ist zwar für viele Anwendungen hervorragend geeignet, stößt jedoch auf einige inhärente Grenzen, die durch das einzigartige "Brennverfahren" der Funkenerosion überwunden werden. Das Verständnis dieser Unterschiede hilft zu erklären, warum die Funkenerosion für bestimmte Hochpräzisionsanwendungen unverzichtbar geworden ist.

Merkmal	CNC-Bearbeitung	EDM
Materialhärte Begrenzung5	Begrenzt durch die Härte des Schneidwerkzeugs; Probleme mit gehärteten Stählen, Wolframkarbid und exotischen Legierungen.	Unabhängig von der Materialhärte; kann jedes elektrisch leitfähige Material bearbeiten.
Schärfe der Innenecken	Begrenzt durch den Werkzeugradius; kann keine perfekt scharfen Innenecken erzeugen.	Drahterodieren kann perfekt scharfe Innenecken erzeugen (begrenzt durch den Drahtdurchmesser). Beim Senkerodieren wird die Elektrodenform nachgebildet.
Mechanische Kräfte	Erzeugt Schnittkräfte, die zu Werkstückverformung, Vibrationen und Werkzeugverformung führen können.	Berührungsloses Verfahren; eliminiert mechanische Kräfte und ermöglicht die Bearbeitung empfindlicher Merkmale ohne Verzerrung.
Mehrere Setups	Bei komplexen Geometrien sind oft mehrere Einstellungen erforderlich, was zu Ausrichtungsfehlern führen kann.	Viele Bearbeitungen können komplexe 3D-Merkmale in einer einzigen Aufspannung erzeugen, wobei die geometrischen Beziehungen mit höherer Präzision eingehalten werden.
Werkzeugverschleiß	Der Werkzeugverschleiß beeinträchtigt die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte, da die Schneidkanten stumpf werden.	Beim Drahterodieren wird der Draht automatisch zugeführt. Der Verschleiß der Senkerodier-Elektrode kann kompensiert werden.
Wärmeerzeugung	Erzeugt erhebliche lokale Wärme, die die Materialeigenschaften beeinträchtigen und thermische Verformungen verursachen kann.	Präzise kontrollierte Wärme; minimale Wärmeeinflusszone. Dielektrische Flüssigkeit verhindert Wärmestau.
Mikro-Bearbeitung6	Probleme mit extrem kleinen Merkmalen aufgrund von Werkzeugbeschränkungen, Vibrationen und Durchbiegung.	Mit kleinen Drähten können mikroskopisch kleine Strukturen mit bemerkenswerter Präzision erzeugt werden.

Schnelles Abstumpfen der Kanten und Zusammenbruch

• Inkonsistente Schnittleistung
• Unvorhersehbare Lebensdauer der Werkzeuge
• Wärmeentwicklung, die die Leistung weiter beeinträchtigt

Drahterodieren⁷ kann perfekt scharfe Innenecken erzeugen (begrenzt nur durch den Drahtdurchmesser, der bis zu 0,004 Zoll betragen kann)

• Sinker EDM⁸ kann jede Form nachbilden, die sich zu einer Elektrode verarbeiten lässt
• Features können unabhängig von den Beschränkungen des Verhältnisses von Tiefe zu Breite erstellt werden

Das Werkstück erfährt Schnittdruck⁹ die eine Ablenkung verursachen können

• Dünnwandige Elemente können sich während der Bearbeitung biegen oder vibrieren
• Die Werkzeugdurchbiegung steigt mit dem Verhältnis von Länge zu Durchmesser
• Rütteln und Vibrationen führen zu Problemen bei der Oberflächengüte

Wie wird durch EDM die Wärmebehandlung eliminiert und die Präzision erhalten?

Der herkömmliche Bearbeitungsablauf führt oft zu einem schwierigen Problem: Bauteile, die vor der Wärmebehandlung nach genauen Spezifikationen bearbeitet wurden, verziehen sich häufig während des Härteprozesses. Dies erfordert zusätzliche Arbeitsgänge, um die Genauigkeit wiederherzustellen, was Zeit und Kosten verursacht und die Qualität beeinträchtigt.

Beim Funkenerodieren entfallen Probleme mit der Wärmebehandlung, da die Teile erst nach dem Härten bearbeitet werden. Da das Funkenerodieren unabhängig von der Materialhärte funktioniert, können die Teile zunächst vollständig wärmebehandelt und dann ohne Verzug auf die endgültigen Spezifikationen bearbeitet werden. Durch diesen direkten Ansatz wird die Maßhaltigkeit beibehalten und gleichzeitig die Produktionszeit und -kosten reduziert.

Die Wärmebehandlung ist ein wichtiger Prozess für viele Metallteile, insbesondere für solche, die in Formen, Gesenken und Präzisionswerkzeugen verwendet werden. Der herkömmliche Fertigungsablauf bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich, die das Erodieren auf einzigartige Weise löst und zu überlegener Präzision und Effizienz führt.

Merkmal	Traditionelle Fertigung (CNC + Wärmebehandlung)	EDM-Fertigung (Wärmebehandlung + EDM)
Herstellungsreihenfolge	1. Grobbearbeitung (weich) 2. Wärmebehandlung 3. Fertigbearbeitung (hart)	1. Grobbearbeitung (weich) 2. Wärmebehandlung 3. Präzisions-Erodieren (hart)
Zeitpunkt der Wärmebehandlung	Vor der Fertigbearbeitung	Vor der Endbearbeitung (EDM)
Probleme mit Verzerrungen	Erhebliche Verformungen während der Wärmebehandlung, die eine Korrektur erfordern	Minimale Auswirkung der Verformung auf die Endmaße
Bearbeitung von gehärtetem Material	Schwierige und zeitaufwändige Endbearbeitung	Einfache und effiziente Bearbeitung
Werkzeugverschleiß	Hoher Werkzeugverschleiß bei der Fertigbearbeitung	Minimaler Werkzeugverschleiß (Elektrodenverschleiß)
Anzahl der Schritte	Mehr Arbeitsschritte durch die Endbearbeitung nach der Wärmebehandlung	Weniger Schritte, Vereinfachung des Prozesses
Gesamtproduktionszeit	Länger	Kürzere
Präzision der endgültigen Merkmale	Gefahr von Verzerrungen, die die endgültige Präzision beeinträchtigen	Hohe Präzision bei den endgültigen Merkmalen nach der Wärmebehandlung erzielbar

Obwohl es sich bei der Funkenerosion um ein thermisches Verfahren handelt, ist die Wärmeeinwirkung extrem lokal begrenzt und gut kontrollierbar. Die wärmebeeinflusste Zone erstreckt sich in der Regel nur wenige Mikrometer von der Schnittfläche entfernt, wobei die Eigenschaften des Grundmaterials unverändert bleiben. Dadurch bleiben die sorgfältig entwickelte Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Materials, die während der Wärmebehandlung erreicht wurden, erhalten.

Der Ansatz des Erodierens nach der Wärmebehandlung vereinfacht die Prozessplanung, da der zu erwartende Verzug nicht mehr kompensiert werden muss. Ingenieure können Teile bis zu den endgültigen Abmessungen konstruieren, ohne Toleranzen für Änderungen bei der Wärmebehandlung einzuplanen, was zu besser vorhersehbaren Ergebnissen und weniger Iterationen führt.

Bei Anwendungen im Werkzeug- und Formenbau gewährleistet dieser Ansatz, dass Präzisionsmerkmale¹⁰ behalten ihre Genauigkeit während der gesamten Lebensdauer des Bauteils bei. Da sich das Material bereits im vollständig gehärteten Zustand befindet, wenn die endgültigen Abmessungen festgelegt werden, besteht kein Risiko einer Maßänderung während der Verwendung aufgrund einer unvollständigen Wärmebehandlung oder von Eigenspannungen.

Dieser direkte Zugang zu Bearbeitung von gehärtetem Material¹¹ ist besonders wertvoll für komplexe Bauteile mit mehreren Präzisionsmerkmalen. Anstatt zu versuchen, alle Merkmale nach der Wärmebehandlung zu korrigieren (was bei einigen Geometrien unmöglich sein kann), ermöglicht das Erodieren die Herstellung präziser Merkmale genau dort, wo sie im gehärteten Zustand benötigt werden.

Schlussfolgerung

Das Erodieren erreicht eine höhere Präzision als die CNC-Bearbeitung, da keine Schnittkräfte wirken, direkt mit gehärteten Materialien gearbeitet wird, komplexe Geometrien mit scharfen Ecken entstehen und die Maßhaltigkeit während des gesamten Prozesses erhalten bleibt. Für kritische Hochpräzisionsanwendungen, insbesondere bei harten Werkstoffen, bleibt die Funkenerosion die endgültige Fertigungslösung.

---