Modellierung des Abtragprozesses der elektrochemischen Senkbearbeitung von Triebwerksschaufeln

Seit jeher stellt die Werkzeugauslegung eine große Herausforderung bei der elektrochemischen Metallbearbeitung (ECM) dar. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Eigenschaften des Elektrolyten über dem Strömungsweg und den Senkvorgang hinweg kontinuierlich ändern, kommt es prozessbedingt zur Ausbildung eines nicht äquidistanten Arbeitsspaltes. In den meisten Anwendungsfällen ist daher ein auf-wendiger Einstellprozess notwendig, um innerhalb der geforderten Toleranzen und Oberflächengüten zu fertigen. Diese Vorgehensweise obliegt in der betrieblichen Praxis oftmals rein heuristischen Methoden, die kostenintensive Iterationszyklen der Kathodengestaltung zur Folge haben. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war der Aufbau und die Validierung eines Simulationsmodells zur Berechnung des Abtragprozesses der elektrochemischen Senkbearbeitung von Triebwerksschaufeln. Dazu wurden zunächst diejenigen physikalischen Phänomene identifiziert, die einen relevanten Einfluss auf den ECM-Senkprozess ausüben. Zu diesen physikalischen Effekten wurden dann die theoretischen Hintergründe erläutert. Sofern keine Modellvorstellung existierte, um ein Phänomen adäquat numerisch abbilden zu können, wurden Analyse- und Messmethoden vorgestellt, um dieses Erkenntnisdefizit zu beheben. Zur empirischen Überprüfung des eigentlichen Simulationsmodells wurde die Abbildung der einzelnen Effekte zunächst an einer ebenen Rechteckgeometrie mithilfe optischer In-situ-Messungen erfolgreich validiert. Das interdisziplinäre Simulationsmodell wurde daraufhin auf die reale Leitschaufel eines Hochdruckverdichters angewendet und der Vergleich mit industriell gefertigten Bauteilen zeigte eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Da selbst bei perfekter Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit der Realität der komplette Entwicklungsprozess zwar virtuell, aber immer noch iterativ ablaufen würde, wurden die Erkenntnisse aus der Vorwärtssimulation in einem finalen Schritt auf inverse Modellierungsansätze übertragen. Aus mathematischer Sicht handelt es sich dabei um ein schlecht gestelltes Problem, sodass dabei zunächst geprüft wurde, welche inversen Modellierungsansätze für den Anwendungsfall der elektrochemischen Senkbearbeitung von Triebwerksschaufeln geeignet sind. Mithilfe der ausgewählten und angepassten Ansätze wurden dann Werkzeuggeometrien berechnet, über die Vorwärtssimulation mit der Zielgeometrie verglichen und den Ergebnissen der konventionellen Auslegung kritisch gegenübergestellt.