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TU entwickelt besseres Polierverfahren für die Metallbearbeitung

Internationales Forschungsteam unter Leitung der TU Chemnitz und mit Förderung durch das Bundesforschungsministerium entwickelte effizienteres Verfahren zum Polieren von Metalloberflächen

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Professur Mikrofertigungstechnik (Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert) der Technischen Universität Chemnitz hat ein innovatives Verfahren zum sogenannten „Lokalen Polieren“ entwickelt Damit wird es möglich, verschiedene Metall-Oberflächen so effektiv und ressourcensparend wie beim bereits bewährten Plasmaelektrolytischen Polieren (PeP) zu bearbeiten – allerdings ohne die bisher nötigen aufwendigen Maskierungen des zu polierenden Bereiches. Möglich macht das der im Rahmen dieses Projektes entwickelte strahlbasierten Plasmaelektrolytischen Polierprozess (Jet-PeP), der auf einen fein justierbaren und räumlich begrenzbaren elektrolytischen Freistrahl setzt. „Durch den erfolgreich entwickelten Jet-PeP Prozess ist nun erstmalig die lokal begrenzte Politur ausgewählter Oberflächenbereiche mit einstellbarem Polierergebnis möglich, ohne dass komplizierte Maskierungen aufwendig aufgebracht und wieder entfernt werden müssen. Auch zeitaufwendige Eintauchstrategien sind nicht mehr notwendig“, erklärt Prof. Dr. Andreas Schubert von der Professur Mikrofertigungstechnik, der die Projektleitung inne hatte. Zum Einsatz kann diese Technologie beispielsweise bei Komponenten aus der Medizintechnik und aus dem Werkzeug- und Formenbau oder im Bereich der Schmuckindustrie kommen.

Das Projektkonsortium bestand auf deutscher Seite aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Professur Mikrofertigungstechnik und der Firma Leukhardt Schaltanlagen Systemtechnik GmbH aus Magdeburg als Industriepartner. Auf israelischer Seite war die Technion Research & Development Foundation Ltd. als Forschungseinrichtung und die Firma Shimshon Fine Mechanics Ltd. als Industriepartner beteiligt. Ergänzt wurde das Projektkonsortium durch das Beckmann Institut für Technologieentwicklung e. V. als assoziiertem Projektpartner.

Das Projekt wurde im Rahmen des Programms „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.  

Die Ergebnisse wurden in einem F&E-Bericht mit dem Titel „Local surface nanoscale modification by Jet Plasma electrolytic Polishing“ veröffentlicht und sind als Open Access über das Leibniz-Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften und Universitätsbibliothek Hannover verfügbar.

Vorzüge bisheriger Verfahren mit mehr Effizienz und Flexibilität kombinieren

Für das Polieren von Oberflächen metallischer Bauteile ist das Plasmaelektrolytische Polieren (PeP) besonders geeignet, weil ein umweltfreundlicher Elektrolyt und eine geringe Materialabtragrate eine ressourceneffiziente Bearbeitung mit hoher Formtreue ermöglichen. Beim PeP handelt es sich um ein Tauchverfahren ähnlich dem Elektropolieren, bei dem Werkstücke durch teilweises oder vollständiges Eintauchen in ein Elektrolytbad unter Anlegen hoher Gleichspannungen bis zu mehreren hundert Volt poliert werden. Die Größe der polierbaren Oberfläche hängt von der maximalen elektrischen Leistung der Prozessenergiequelle ab. Zudem ist das Polieren lokal begrenzter Bereiche mit unterschiedlichen Ergebnissen nur durch aufwendige Maskierungen und Eintauchstrategien möglich. Diese Einschränkungen begrenzen die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens.  

Größe der Bauteiloberfläche umgehen und lokales Polieren ausgewählter Oberflächenbereiche ermöglichen

Das Ziel des Projektes war der Transfer des Tauchverfahrens auf den Jet-PeP-Polierprozess, um die Abhängigkeit der elektrischen Leistung von der Größe der Bauteiloberfläche zu umgehen und das lokale Polieren ausgewählter Oberflächenbereiche zu ermöglichen. Dazu wurde eine Laboranlage entwickelt, für die ein lineares, dreiachsiges Kinematiksystem aufgebaut wurde, um die Bewegung der Elektrolytdüse zu ermöglichen.  

Mit Hilfe eines geschlossenen elektrolytischen Freistrahls wurde eine laterale Begrenzung des Stromflusses erzielt, sodass der polierte Bereich lokal eingegrenzt wurde. Somit kann auf eine Maskierung der angrenzenden Oberflächen verzichtet werden. „Die Herausforderung bei der Entwicklung des Polierprozesses war die Aufrechterhaltung von konstanten Prozessbedingungen für ein erfolgreiches Polieren“ führt Andreas Schubert weiter aus. Unter anderem wurde dies durch eine automatisierte Temperierung des Elektrolyten und Steuerung des Volumenstroms ermöglicht. Oliver Kröning von der Firma Leukhardt Schaltanlagen Systemtechnik GmbH fügt hinzu: „Die Initiierung und Aufrechthaltung des Prozesses bei verschiedenen Lasten konnte durch die Entwicklung einer spezifischen Prozessenergiequelle realisiert werden“.

Die experimentelle Bewertung des Jet-PeP-Prozesses erfolgte anhand von Bauteilen aus der Medizintechnik aus dem Edelstahl AISI 304. Es wurde ein materialspezifischer Elektrolyt durch das Beckmann-Institut für Technologieentwicklung e. V. entwickelt und im Tauchverfahren erprobt. Die Charakterisierung der Oberflächenrauheit und der chemischen Zusammensetzung der polierten Oberflächen erfolgten durch den Projektpartner Technion Research & Development Foundation Ltd. „Perspektivisch steht die neuentwickelte Laboranlage für weitere Forschungsprojekte auch innerhalb internationaler Kooperationen zur Verfügung“, sagt Prof. Andreas Schubert.

Hintergrund: Projektförderung

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde durch das BMBF im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ (Förderkennzeichen: 02P17W010) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Auf israelischer Seite wurde das Projekt durch die Israel Innovation Authority gefördert.

Publikation: Schubert, A.; Zinecker, M.; Martin, A.; Quitzke, S.; Danilov, I.; Kröning, O.;Safranchik, D.; Essel, S.; Zeidler, H.: Local surface nanoscale modification by Jet Plasma electrolytic Polishing. In: A. Schubert (Hrsg.): R&D report of the BMBF project Jet-PeP (Fkz: 02P17W010) , Verlag Wissenschaftliche Scripten, 2021, ISBN: 978-3-95735-139-5

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Andreas Schubert, E-Mail: andreas.schubert@mb.tu-chemnitz.de, Tel.: +49 (0)371/531-34580.

(Quelle: Professur Mikrofertigungstechnik der TU Chemnitz)

Matthias Fejes
13.10.2021

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