Die gepulste elektrochemische Bearbeitung bietet einen einzigartigen AM-Beitrag

28. September 2023

Teilen Sie es mit Ihrem Netzwerk:

In der folgenden erweiterten Nachrichtensendung erörtert Kirk Gino Abolafia, technischer Marketing- und Vertriebsmanager bei Voxel Innovations Inc, den Einsatz der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM) bei der Nachbearbeitung von additiv gefertigten Metallkomponenten.

Das exponentielle Wachstum der additiven Fertigungstechnologie hat den Herstellern einzigartige Vorteile gebracht, wie z. B. die gelegentliche Reduzierung der Herstellungskosten, die mit der Konsolidierung von Abläufen/der Eliminierung komplexer Baugruppen verbunden sind, sowie die Reduzierung von Materialverschwendung im Vergleich zur herkömmlichen subtraktiven Fertigung. Darüber hinaus hat die Einführung der Metall-AM ein schnelles Prototyping und eine schnellere Designiteration einer breiten Palette von Metallteilen, einschließlich einiger kritischer Komponenten, ermöglicht. Da jedoch die Stückzahlen aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach AM steigen, verschärfen sich geringfügige Einschränkungen der Technologie.

Wenn beispielsweise sowohl die Design- als auch die Materialanforderungen von Teilen in kritischen Anwendungen (Umgebungen mit hohem Temperaturfluss oder extremer Belastung) berücksichtigt werden, können bestimmte Toleranzen und Merkmale mit AM allein möglicherweise nicht erreicht werden.

Die große Nachfrage nach diesen AM-Teilen ist für Unternehmen ein Anreiz, innovative Wege zu finden, um die Herstellungskosten zu senken – manchmal sogar auf Kosten der Qualität. Um die Kosten zu senken, opfern Additivhersteller Oberflächengüte, Auflösung und Strukturgröße, um die Produktionskapazitäten durch den Einsatz schnellerer Laserscan-Strategien, größerer Pulver, dickerer Schichtlinien und mehr zu verbessern. Letztendlich hat dies in der AM-Branche einen Bedarf an erschwinglichen, wiederholbaren Nachbearbeitungsmethoden für Metallteile geschaffen.

Metall-AM-Unternehmen suchen nach einem sekundären Bearbeitungs-/Nachbearbeitungsvorgang, der eine höhere Auflösung und Oberflächenqualität erreichen und gleichzeitig die Produktionskosten bei großen Stückzahlen senken kann.

In dieser erweiterten Nachrichtenfunktion wird ein einzigartiger Materialabtragsprozess namens „Pulsed Electrochemical Machining“ (PECM) besprochen, ein Prozess, der bei Metall-AM-Teilen superfinishe Oberflächen, kleine Merkmale und eine hohe Wiederholgenauigkeit ermöglicht. Darin besprechen wir die Funktionsweise des Prozesses und erläutern, wie PECM sowohl als sekundärer Bearbeitungsprozess als auch als Nachbearbeitungsprozess für großvolumige Metall-AM-Teile fungieren kann.

Kurz gesagt handelt es sich bei PECM um einen berührungslosen, nicht-thermischen Materialabtragungsprozess, der in der Lage ist, hochbearbeitete Oberflächen und einzigartige Geometrien auf großvolumigen Metallteilen zu bearbeiten und alternativ als Sekundärbearbeitung – oder Nachbearbeitung – bei Metall-AM zu fungieren Teile.

Anstelle von Reibung oder Hitze nutzt PECM Elektrochemie, um das Werkstückmaterial in die gewünschte Form aufzulösen. Eine geladene Elektrolytflüssigkeit wird in einen mikroskopisch kleinen Spalt zwischen dem Werkzeug (Kathode) und dem Werkstück (Anode) gespült und löst das Werkstückmaterial mit einer Geschwindigkeit auf, die proportional zu seiner Nähe zur Kathode ist.

Der Prozess lässt sich am besten verstehen, wenn man vier Schlüsselbegriffe lernt:

PECM ermöglicht aufgrund seines deutlich reduzierten Werkzeugverschleißes eine hohe Wiederholgenauigkeit; Dabei kommt es weder zu Hitze noch zu Kontakt. Da es bei PECM außerdem nur um die Leitfähigkeit eines bestimmten Teils (und nicht um dessen Materialhärte) geht, können damit zähe Legierungen wie Inconel mit einer ähnlichen Geschwindigkeit wie Kupfer oder Aluminium bearbeitet werden.

Der Prozess wird hauptsächlich zur Bearbeitung kritischer Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Geräte verwendet, darunter Inconel-Wärmetauscher, Nitinol-Knochenbefestigungen, Molybdän-Röntgenkomponenten und Turbinenschaufeln.

Eine weitere wichtige Anwendung von PECM ist jedoch die Nachbearbeitung additiv gefertigter Teile.

Bei den meisten Anwendungen würden die durchschnittliche Wandstärke, Auflösung und Oberflächenqualität, die durch additive Fertigung erzeugt werden, keinen wesentlichen Einfluss auf die Passform, Form oder Funktion des Teils haben. In kritischen Umgebungen, in denen Teile eine erhöhte Ermüdungsbeständigkeit, Oberflächenqualität und Toleranzen aufweisen müssen, kann AM allein jedoch keine idealen Teile direkt aus der AM-Maschine herstellen. Um diese Eigenschaften zu verbessern, erfordert AM bei kritischen Anwendungen im Allgemeinen einen sekundären Bearbeitungsprozess.

Beispielsweise können die meisten Metall-AM-Prozesse ohne einen sekundären Prozess nur eine minimale Wandstärke von etwa 0,3–0,5 mm erreichen. Mit einem speziellen PECM-Werkzeug kann diese Wandstärke jedoch auf weniger als 50 µm (<0,05 mm) reduziert werden. Da es bei PECM keine Wärmeeinflusszone oder Werkzeugvibrationen gibt, können Bereiche eines Teils bearbeitet werden, die ansonsten sehr empfindlich auf Hitze oder Werkzeugvibrationen reagieren – einschließlich ultradünner Wände. PECM könnte diese Merkmale anschließend hunderte oder sogar tausende Male ohne Werkzeugverschleiß wiederholen.

Betrachten Sie eine Turbinenschaufel mit additiver Nickellegierung. Ohne einen sekundären Prozess würden sich die zusätzliche Blattdicke, Auflösung und Oberflächenqualität (insbesondere auf Downskin-Oberflächen) auf die Funktionalität, die aerodynamische Leistung und die Anfälligkeit des Blattes für Korrosion und Mikrorisse auswirken.

PECM sollte als praktikabler sekundärer Bearbeitungsprozess für ähnliche Teile betrachtet werden; Durch die Schaffung dünnerer Hinterkanten an Turbinenschaufeln und die deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität könnte PECM möglicherweise die Leistung, Haltbarkeit und Sicherheit von additiven Turbinenschaufeln verbessern.

PECM kann eine Ergänzung zu Metall-AM-Operationen mit niedrigerer Auflösung und höherem Volumen sein.

AM-bedingte Oberflächenanomalien können bei kritischen Teilen erhebliche Probleme verursachen (z. B. die Entstehung von Mikrorissen an Teilen in der Luft- und Raumfahrt oder die Beeinträchtigung der Sterilität medizinischer Geräte). Diese Oberflächenunregelmäßigkeiten können viele Formen annehmen, darunter Reste der Stützstruktur, Schichtlinien, geringere Auflösung auf Downskin-Oberflächen und wieder geschmolzenes Material. Jedes dieser Probleme wirkt sich direkt auf die Funktionalität, Korrosionsbeständigkeit, Sterilität und Lebensdauer eines bestimmten Teils aus.

PECM ist jedoch in der Lage, AM-Teile gleichzeitig zu bearbeiten und fertigzustellen. Laut Daten von Voxel Innovations reduzierte PECM die Oberflächenqualität von AM-Metallteilen von 5–10 µm (196–393 µin) Ra auf >0,5 µm (19,6 µin) und sogar 0,1 µm (3,9 µin) Ra. Dieser Vorgang war im Vergleich zu konventionelleren Methoden wie dem CNC-Fräsen relativ schnell und weist eine hohe Wiederholgenauigkeit auf, sodass in Hunderten oder Tausenden von Teilen identische Superfinish-Merkmale erzeugt werden können, ohne dass es zu Werkzeugverschleiß kommt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sekundärbearbeitungs- und Nachbearbeitungsmöglichkeiten von PECM für Metalladditivteile eine Reihe einzigartiger Vorteile bieten, die Additivhersteller berücksichtigen sollten. Zu diesen Vorteilen gehört unter anderem die Möglichkeit, dünnwandige oder thermisch empfindliche Bereiche zu bearbeiten, eine Vielzahl von Oberflächenunregelmäßigkeiten zu entfernen und, was entscheidend ist, die Möglichkeit, diese Merkmale hunderte oder tausende Male auf zähen Materialien zu wiederholen, ohne dass dafür Werkzeuge erforderlich sind Ersatzkosten.

Kirk Gino Abolafia ist technischer Marketing- und Vertriebsleiter von Voxel Innovations, einem fortschrittlichen Fertigungsunternehmen, das sich auf die Entwicklung der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM) spezialisiert hat. Voxel hat die AS9100D-Zertifizierung erhalten, die ISO 9001:2015 umfasst, und das QMS von Voxel hat auch die ISO 13485:2016-Zertifizierung erhalten. Abolafia hat technische Artikel für eine Vielzahl von Fertigungspublikationen geschrieben, darunter American Machinist, Orthopaedic Design & Technology, Aerospace Manufacturing & Design und Aero-Mag.

Um mehr über PECM zu erfahren, besuchen Sie das Bildungsportal von Voxel.

www.voxelinnovations.com

16. Oktober 2023

11. Oktober 2023

10. Oktober 2023

9. Oktober 2023