PECM mange des métaux durs

Moins de stress, plus de fiabilité dans la fabrication médicale

Lorsque Koninklijke Philips NV a eu besoin d'un tranchant fin pour ses rasoirs électriques Norelco vendus aux États-Unis, les ingénieurs de la société néerlandaise ont peaufiné l'usinage électrochimique (ECM) pour obtenir la qualité et la fiabilité dont ils avaient besoin. Le processus modifié mis au point par les ingénieurs de Philips est désormais utilisé dans de nombreuses industries en dehors des soins personnels, y compris la fabrication médicale.

"Ils ont traversé de nombreux poinçons pour que les matrices produisent ce tranchant", a déclaré Scott Kowalski, qui travaille avec deux des ingénieurs sur le brevet de Philips dans son rôle de président de RM Group Holdings LLC à Ridgefield, NJ "Ils ont pris l'ECM, qui n'est qu'une technologie CC (courant continu) standard, et ils ont introduit une impulsion variable et une oscillation qui non seulement supprimeraient le bord, mais créeraient le profil."

L'ECM et sa forme modifiée - usinage électrochimique de précision (PECM) - machine via un processus électrochimique. Les technologies sont utilisées à des fins différentes et produisent des résultats sensiblement différents.

"L'ECM résout un problème", a déclaré Kowalski. "Il y a une bavure, il y a un bord, il y a quelque chose que le client ne voulait pas ou n'attendait pas. Le PECM est plus à valeur ajoutée. Nous introduisons des formes, des profils, des géométries", a-t-il ajouté, notant que l'ECM a été introduit il y a environ 50 ans alors que le PECM industrialisé n'existe que depuis environ 10 ans.

ECM Technologies, Leeuwarden, Pays-Bas, a décrit le PECM de cette manière : "Pendant le processus PECM, le métal est dissous à partir d'une pièce avec un courant continu à une vitesse contrôlée dans une cellule électrolytique. La pièce sert d'anode et est séparée par un espace (qui peut être aussi petit que 10 µ) de l'outil, qui sert de cathode. L'électrolyte est pompé sous pression à travers l'espace inter-électrodes, éliminant ainsi le métal dissous de la pièce. maintenir un écart constant, la pièce est usinée dans la forme complémentaire de l'outil."

Le PECM est idéal pour manipuler les matériaux difficiles à usiner et les géométries complexes utilisées dans les pièces médicales modernes, et il produit les finitions de surface fines dont l'industrie a besoin pour une utilisation hygiénique, selon Philips.

Les alliages résistants et les surfaces superfinies sont parfaits pour les implants médicaux en raison de leur stérilité, ainsi que pour leur biocompatibilité. Le nickel-titane, également connu sous le nom de Nitinol, est un excellent alliage pour certains implants de fixation osseuse, mais il serait dangereux que le nickel à l'intérieur pénètre dans la circulation sanguine. Les fabricants d'implants veulent des surfaces superfinies pour atténuer ce risque ; les finitions plus rugueuses se corrodent et s'écaillent plus facilement, ce qui peut être extrêmement dangereux pour un patient.

"Il existe un certain nombre d'applications pour divers implants et composants d'outils chirurgicaux", a déclaré Don Risko, propriétaire de DGR Consulting LLC, Jamestown, Pennsylvanie. "Une des plus importantes semble désormais être les agrafeuses."

La capacité de PECM n'est pas largement connue, en partie à cause des secrets de fabrication étroitement gardés dans les industries médicales et autres, selon Risko, qui travaille avec ECM depuis près de 40 ans. Cela a quelque peu "étouffé" la technologie PECM, a-t-il dit, citant plusieurs exemples d'entreprises développant des capacités pour des clients qui interdisaient la divulgation, excluant ainsi les références à celles-ci dans les futurs argumentaires de vente.

Cependant, l'utilisation de PECM s'est développée dans la fabrication médicale.

"Parce qu'il s'agit de petites pièces soumises à des contraintes (pendant l'utilisation), elles ont tendance à être fabriquées à partir de matériaux plus durs, de matériaux plus résistants", a expliqué Bruce Dworak, président, Hobson & Motzer Inc., Durham, Connecticut. En tant que fabricant de composants métalliques de précision qui fournit depuis longtemps le marché des dispositifs médicaux, la société a travaillé sur l'évolution de la technologie d'agrafage et les exigences imposées aux composants des dispositifs.

"Et ces matériaux à plus haute résistance, leur traitement, peuvent se prêter au PECM", a déclaré Kowalski. "Nous obtenons généralement les matériaux que les autres fabricants (de machines-outils) n'aiment pas."

Comme dans l'usinage par décharge électrique (EDM), les matériaux doivent être électriquement conducteurs pour convenir au PECM. Bien que cela ait créé une certaine confusion sur les deux processus, leurs similitudes se terminent par la conductivité. Dans EDM, le métal est fondu ou érodé par une étincelle électrique, brûlant efficacement le matériau; dans PECM, un courant électrique et une solution électrolytique travaillent ensemble pour dissoudre le métal sur une pièce. L'électrode EDM s'use, tandis que dans PECM, elle reste intacte.

"Un autre aspect de PECM est qu'il peut retirer de la matière assez rapidement et souvent (peut usiner) plusieurs configurations et composants simultanément", a ajouté Risko. "Ainsi, le PECM est considéré comme un processus d'usinage de surface par opposition à un processus d'usinage ponctuel comme le fraisage ou le tournage. L'usinage simultané d'une zone peut présenter des avantages significatifs par rapport à plusieurs configurations ou à plusieurs opérations d'usinage utilisant l'usinage conventionnel."

L'un des principaux avantages du procédé PECM est que les matériaux durcis sont usinés presque aussi facilement que ceux à l'état ramolli car la dureté n'affecte pas le processus d'enlèvement de matière. Avec l'usinage conventionnel, plus le matériau est dur, plus il est difficile à usiner. En conséquence, le procédé PECM excelle dans l'usinage de matériaux tels que l'acier inoxydable - et ceux qui ont des structures de grain serrées - même dans un état traité thermiquement.

"Si vous avez quelque chose qui doit être traité après avoir été traité thermiquement, comme par exemple un 465, quelque chose qui est vraiment dur, un 440 ou 420", a expliqué Dworak, "ce seraient quelques-unes des meilleures applications car peu importe qu'elles soient traitées thermiquement ou non, peu importe à quel point elles sont dures."

En plus de son talent pour l'usinage de matériaux difficiles à traiter, le PECM se distingue par le fait qu'il n'ajoute pas de contraintes pouvant entraîner des fissures ou une défaillance des pièces, une préoccupation essentielle pour l'industrie médicale. Le processus est également connu pour produire de bonnes finitions.

"Votre finition est supérieure à toute autre méthode de fabrication, qu'il s'agisse de fraisage, de meulage ou de rodage", a déclaré Kowalski. "Je veux dire, la finition qui se dégage du PECM est vraiment une finition miroir."

Selon Kowalski, PECM peut atteindre une finition de surface de 4 Ra, qui mesure la rugosité moyenne sur une surface. "Mais la technologie pourrait aller plus loin que cela", a-t-il ajouté. "Je veux dire que nous pouvons descendre à un Ra 2 (plus le Ra est bas, plus la surface est lisse), en fonction de l'application et de la géométrie de la pièce, si vous faites vraiment une finition super fine."

La reproductibilité de PECM est utile pour créer des enclumes pour les agrafeuses utilisées en chirurgie mini-invasive. "Nous avons des clients qui en produisent 14 000 à 15 000 par semaine, avec une tolérance de 6 à 8 µ", a déclaré Kowalski, notant que "la répétabilité est primordiale" pour de telles applications.

Un autre avantage de PECM est que plusieurs pièces peuvent être usinées simultanément avec l'outil approprié.

"Cela prendra exactement le même temps pour faire deux, trois ou cinq parties qu'une seule, une fois que vous aurez commencé", a déclaré Dworak. "C'est donc une question d'investissement initial (dans l'outil) et d'avoir suffisamment d'énergie et d'électrolyte dans la machine pour l'accueillir."

Daniel Herrington, PDG de Voxel Innovations Inc., Raleigh, Caroline du Nord, compare un outil multi-électrodes à un moule multi-empreintes pour le moulage par injection.

"Si vous rendez votre outil deux fois plus grand, ou si vous mettez deux pièces dans un seul outil, vous avez besoin de deux fois plus d'ampérage de notre machine pour le faire, mais votre taux d'enfoncement est inchangé et donc, effectivement, votre taux d'enlèvement est doublé", a-t-il déclaré. "Et donc, si vous suivez cette logique, il est logique que chaque fois que nous le pouvons, nous usinions simultanément une grande partie de la surface. Cela pourrait être une pièce plus grande, usinant plusieurs caractéristiques ou complexités en une seule fois, ou plusieurs pièces plus petites - deux à la fois ou cinq à la fois ou 10 à la fois - le tout en parallèle. "

La productivité élevée décrite par Herrington a conduit l'un des clients de Kowalski à affecter trois opérateurs à une machine pour augmenter le débit.

La beauté de la technologie, a-t-il dit, est qu'elle ne fait pas éclater une étincelle. "Donc, si cela me prend cinq minutes pour faire une pièce, il me faut cinq minutes pour faire 50 pièces."

La solution électrolytique joue trois rôles dans la PECM. En plus de conduire la charge électrique pour usiner la pièce, il agit également comme agent de rinçage et de refroidissement.

"Il est principalement là pour conduire le courant et s'assurer que la réaction se produit", a expliqué Herrington. "Mais si c'était complètement statique, alors votre processus sera très limité dans sa vitesse, car maintenant vous rempliriez tout cet électrolyte avec les déchets, le métal et l'hydrogène gazeux, et il cesserait de fonctionner. Vous devez faire passer l'électrolyte à travers cet espace pour que vous évacuiez continuellement ces déchets."

La gestion de la solution est essentielle, a affirmé Kowalski, soulignant trois facteurs limitants dans toute machine PECM :

Des trois, Kowalski caractérise le débit comme "la grande contrainte". Bien que PECM soit un processus différent, Kowalski pense que ses meilleurs opérateurs viennent d'un milieu EDM parce qu'ils comprennent la dynamique des fluides et l'écoulement.

L'uniformité de la solution d'électrolyte se déplaçant entre l'outil et la pièce est essentielle. "Si vous avez des bulles d'air ou des vides dans le flux, cela affecte la façon dont le courant se déplace entre l'outil et la pièce", a expliqué Risko. "Et par conséquent, cela affecte le métal retiré. Souvent, une configuration d'outillage appelée" outillage fermé "ou une boîte à flux qui englobe l'outil et la pièce est utilisée. L'électrolyte s'écoule avec une certaine contre-pression pour s'assurer qu'il y a un flux uniforme suffisant entre toutes les zones de l'espace entre la cathode et la pièce à usiner. "

Le contrôle du flux n'est pas la seule variable dans la gestion de la solution. Le processus utilise le même électrolyte, le nitrate de sodium, pour différents métaux, mais le pH, la conductivité et la concentration changent pour différents matériaux.

"Pour la plupart, nous utilisons un pH de 8,2, presque équilibré", a déclaré Kowalski. "Mais certains matériaux, vous allez vouloir augmenter votre pH."

Le système peut automatiquement ajouter de l'hydroxyde de sodium pour augmenter le pH et de l'acide nitrique pour le diminuer. En plus d'un filtre de système global, la machine PECM dispose d'un filtre en ligne fin pour éliminer le métal précipité dans la solution qui aide à l'empêcher de réintégrer l'espace entre l'anode et la cathode, ce qui diminuerait la qualité d'usinage.

"La machine a un processus de filtration qui capture tout ce que nous appelons les boues, tous les oxydes et hydroxydes que nous dissolvons", a déclaré Kowalski. "Il passe par notre filtre de produits et sort sous forme de gâteau."

Certains sous-produits PECM sont toxiques et nécessitent une manipulation et une élimination spéciales. Étant donné que la majorité des composants médicaux sont des aciers inoxydables contenant du chrome, le métal toxique chrome hexavalent 6 est probablement présent dans le sous-produit filtré, a averti Risko.

"Un certain nombre de ces systèmes plus avancés peuvent désormais réduire ce chrome hexavalent 6 en chrome 3, qui est plus facile à éliminer, car ce n'est pas un liquide toxique", a-t-il déclaré.

L'outil lui-même n'est pas moins important que la solution électrolytique. "L'un des avantages passionnants de ce processus est que l'outil n'est pas consommé au fil du temps", a déclaré Herrington. "Pensez à l'usinage CNC, où les fraises en bout s'usent avec le temps, ou même à l'usinage par décharge électrique où ce fil ou l'électrode EDM est détruit. Ce n'est pas le cas pour nous."

Voxel a utilisé la CNC, le micro-usinage, l'électroérosion à fil, l'électroérosion par enfonçage, l'impression 3D et la photolithographie pour fabriquer des outils en acier inoxydable, en titane et en d'autres métaux conducteurs.

"Cela nous donne essentiellement la possibilité de fabriquer des outils de manière vraiment intéressante et exotique", a déclaré Herrington. "Parfois, même si l'outil nous coûte 10 000 $, ce n'est pas un gros problème pour PECM. Nous n'allons pas le jeter après quelques pièces."

Les outils de RM Group "sont très similaires à ceux d'un jeu de matrices de précision que vous verriez dans une presse à emboutir", selon Kowalski. "La plupart de nos outils, sinon tous nos outils, utilisent des décimales à cinq chiffres. Nous construisons donc nos outils au micron près, pas au dixième."

La solution électrolytique au nitrate de sodium est relativement peu coûteuse et, comme les machines sont à haut ampérage et basse tension, elles ne coûtent pas cher à faire fonctionner par rapport aux autres méthodes d'usinage. Ils sont également pratiquement autonomes et nécessitent peu d'entretien, selon Kowalski.

"C'est presque comme la poêle à frire d'un chef", a-t-il déclaré. "Ça s'améliore avec l'âge."

Les éléments les plus coûteux sont la machine, le développement de processus et les outils.

"Avec le coût de la machine et de l'outil et tout le reste, vous regardez sept chiffres quand tout est dit et fait", a noté Kowalski.

Les coûts initiaux sont associés au développement de l'électrode et à la détermination des largeurs d'impulsion, des profils de vibration et de la manière dont la solution électrolytique s'écoulera, a expliqué Herrington.

"Vous pourriez dépenser des dizaines de milliers de dollars supplémentaires en temps d'ingénierie pour développer la technique et le processus, comment vous allez le faire en production, et ce genre de choses", a-t-il déclaré. "Il n'est pas rare qu'une application, à partir du moment où un ingénieur ou un client nous envoie un modèle, (qu'un client) dépense entre 50 000 et 150 000 ou plus pour développer le processus et l'outillage."

Il a comparé les coûts de PECM à ceux d'un bon moulage par injection. Bien qu'ils entraînent tous deux des coûts initiaux élevés, ils fournissent en retour des pièces de production abordables et de haute qualité.

"Dans de très nombreux cas, le PECM est moins cher car vous effectuez un usinage de surface, vous ne créez pas de bavures et vous avez une excellente finition de surface", a déclaré Risko. "Avec un processus d'usinage conventionnel, vous auriez un processus secondaire d'élimination des bavures et d'amélioration de la finition de surface."

En raison des coûts d'équipement et de développement, le PECM n'est pas adapté à la production à faible volume, a déclaré Risko. Cependant, les applications de volume moyen à élevé peuvent tirer parti de la durée de vie extrêmement longue de l'outil et de la capacité d'usinage de surface.

"Ainsi, lorsque vous tenez compte de tous ces attributs de PECM, cela signifie que dans les applications où le processus excelle, il est compétitif et moins coûteux", a déclaré Risko.

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