PECM consume metales duros

Menos estrés, mayor confiabilidad en la fabricación médica

Cuando Koninklijke Philips NV necesitó una tecnología de punta en sus afeitadoras eléctricas Norelco vendidas en los Estados Unidos, los ingenieros de la empresa holandesa modificaron el mecanizado electroquímico (ECM) para obtener la calidad y la confiabilidad que necesitaban. El proceso modificado ideado por los ingenieros de Philips ahora se usa en muchas industrias fuera del cuidado personal, incluida la fabricación médica.

"Estaban pasando por muchos punzones para troqueles para producir esa vanguardia", dijo Scott Kowalski, quien trabaja con dos de los ingenieros en la patente de Philips en su función como presidente de RM Group Holdings LLC en Ridgefield, NJ "Tomaron ECM, que es solo una tecnología estándar de CC (corriente continua), e introdujeron un pulso variable y una oscilación que no solo eliminaría el borde, sino que crearía el perfil".

Tanto el ECM como su forma modificada, el mecanizado electroquímico de precisión (PECM), se mecanizan a través de un proceso electroquímico. Las tecnologías se utilizan para diferentes propósitos y producen resultados significativamente diferentes.

"El ECM está solucionando un problema", dijo Kowalski. "Hay una rebaba, hay un borde, hay algo allí que el cliente no quería ni esperaba. PECM es más valor agregado. Estamos introduciendo formas, perfiles, geometrías", agregó, señalando que ECM se introdujo hace unos 50 años. hace mientras que el PECM industrializado solo existe desde hace unos 10 años.

ECM Technologies, Leeuwarden, Países Bajos, describió PECM de esta manera: "Durante el proceso PECM, el metal se disuelve de una pieza de trabajo con corriente continua a una tasa controlada en una celda electrolítica. La pieza de trabajo sirve como ánodo y está separada por un espacio (que puede ser tan pequeño como 10µ) de la herramienta, que sirve como cátodo. El electrolito se bombea bajo presión a través del espacio entre electrodos, eliminando así el metal disuelto de la pieza de trabajo. A medida que la herramienta del electrodo se mueve hacia la pieza de trabajo para mantener una espacio constante, la pieza de trabajo se mecaniza en la forma complementaria de la herramienta".

PECM es ideal para manejar los materiales difíciles de mecanizar y las geometrías complejas que se utilizan en las piezas médicas modernas, y produce los finos acabados superficiales que la industria requiere para un uso higiénico, según Philips.

Las aleaciones resistentes y las superficies súper acabadas son excelentes para los implantes médicos debido a su esterilidad, así como a su biocompatibilidad. El níquel titanio, también conocido como Nitinol, es una gran aleación para algunos implantes de fijación ósea, pero sería peligroso si el níquel del interior entrara en el torrente sanguíneo. Los fabricantes de implantes quieren superficies súper acabadas para mitigar este riesgo; los acabados más ásperos se corroen y se descascaran más fácilmente, lo que podría ser extremadamente peligroso para el paciente.

"Hay una serie de aplicaciones disponibles para varios implantes y componentes de herramientas quirúrgicas", dijo Don Risko, propietario de DGR Consulting LLC, Jamestown, Pensilvania. "Ahora parece que una de las más importantes son las engrapadoras".

La capacidad de PECM no es muy conocida, en parte debido a los secretos de fabricación muy bien guardados en la industria médica y otras industrias, según Risko, quien ha trabajado con ECM durante casi 40 años. Esto ha "sofocado" un poco la tecnología PECM, dijo, citando varios casos de empresas que desarrollan capacidades para clientes que prohibían la divulgación, por lo tanto, excluyen las referencias a ellos en futuros argumentos de venta.

Sin embargo, el uso de PECM ha crecido en la fabricación médica.

"Debido a que son piezas pequeñas con tensiones (durante el uso), tienden a estar hechas de materiales más duros, materiales de mayor resistencia", explicó Bruce Dworak, presidente de Hobson & Motzer Inc., Durham, Conn. Como fabricante de componentes de metal de precisión que durante mucho tiempo ha abastecido al mercado de dispositivos médicos, la compañía ha trabajado a través de la evolución de la tecnología de grapado y las demandas impuestas a los componentes de los dispositivos.

"Y esos materiales de mayor resistencia, su procesamiento, pueden prestarse a PECM", dijo Kowalski. "Por lo general, obtenemos los materiales que a otros fabricantes (de máquinas herramienta) no les gustan".

Al igual que en el mecanizado por descarga eléctrica (EDM), los materiales deben ser eléctricamente conductores para ser adecuados para PECM. Si bien esto ha creado cierta confusión sobre los dos procesos, sus similitudes terminan con la conductividad. En EDM, el metal se funde o se erosiona mediante una chispa eléctrica, quemando efectivamente el material; en PECM, una corriente eléctrica y una solución electrolítica trabajan juntas para disolver el metal en una pieza de trabajo. El electrodo EDM se desgasta, mientras que en PECM permanece intacto.

"Otro aspecto de PECM es que puede eliminar material con bastante rapidez y muchas veces (puede mecanizar) múltiples configuraciones y componentes simultáneamente", agregó Risko. "Por lo tanto, PECM se considera un proceso de mecanizado por área en lugar de un proceso de mecanizado por puntos como el fresado o el torneado. Mecanizar un área simultáneamente puede tener ventajas significativas en comparación con múltiples configuraciones o múltiples operaciones de mecanizado con mecanizado convencional".

Una de las principales ventajas del proceso PECM es que los materiales endurecidos se mecanizan casi tan fácilmente como los que están reblandecidos porque la dureza no afecta el proceso de eliminación de material. Con el mecanizado convencional, cuanto más duro es el material, más difícil es mecanizar. Como resultado, el proceso PECM sobresale en el mecanizado de materiales como el acero inoxidable, y aquellos que tienen estructuras de grano apretado, incluso en un estado de tratamiento térmico.

"Si tiene algo que debe procesarse después de haber sido tratado térmicamente, como digamos un 465, algo que es realmente duro, un 440 o 420", explicó Dworak, "esas serían algunas de las mejores aplicaciones porque no importa que estén tratados con calor o no, no importa lo duros que sean".

Además de su habilidad para mecanizar materiales difíciles de procesar, PECM se destaca porque no agrega tensión que pueda provocar grietas o fallas en las piezas, una preocupación crítica para la industria médica. También se sabe que el proceso produce buenos acabados.

"Su acabado es superior a cualquier otro método de fabricación, ya sea fresado, esmerilado o lapeado", dijo Kowalski. "Quiero decir, el acabado que sale del PECM es realmente un acabado de espejo".

Según Kowalski, PECM puede lograr un acabado superficial de 4 Ra, que mide la rugosidad promedio en una superficie. "Pero la tecnología podría ser más estricta que eso", agregó. "Quiero decir que podemos llegar a 2 Ra (cuanto menor sea Ra, más suave será la superficie), según la aplicación y la geometría de la pieza, si realmente se realiza un acabado superfino".

La reproducibilidad de PECM es útil para crear yunques para grapadoras utilizadas en cirugía mínimamente invasiva. "Tenemos clientes que producen entre 14 000 y 15 000 de estos por semana, con una tolerancia de 6 a 8 µ", dijo Kowalski, y señaló que "la repetibilidad es primordial" para tales aplicaciones.

Otro beneficio de PECM es que se pueden mecanizar varias piezas simultáneamente con la herramienta adecuada.

"Tomará exactamente la misma cantidad de tiempo hacer dos, tres o cinco partes que una, una vez que comience", dijo Dworak. "Así que se trata de esa inversión inicial (en la herramienta) y de tener suficiente energía y electrolito en la máquina para acomodarla".

Daniel Herrington, director ejecutivo de Voxel Innovations Inc., Raleigh, NC, compara una herramienta de electrodos múltiples con un molde de cavidades múltiples para moldeo por inyección.

"Si hace que su herramienta sea el doble de grande, o pone dos partes en una sola herramienta, necesita el doble de amperaje de nuestra máquina para hacer eso, pero su tasa de hundimiento no cambia y, de hecho, su tasa de eliminación se duplica ," él dijo. "Entonces, si sigue esa lógica, tiene sentido que, siempre que podamos, mecanicemos muchas superficies simultáneamente. Eso podría ser una parte más grande, mecanizar múltiples características o complejidad en una sola toma, o varias partes más pequeñas, dos a la vez". tiempo o cinco a la vez o 10 a la vez, todo en paralelo".

La alta productividad descrita por Herrington ha llevado a uno de los clientes de Kowalski a asignar tres operadores a una máquina para aumentar el rendimiento.

La belleza de la tecnología, dijo, es que no genera chispas. "Entonces, si me toma cinco minutos hacer una parte, me toma cinco minutos hacer 50 partes".

La solución electrolítica juega tres papeles en PECM. Además de conducir la carga eléctrica para mecanizar la pieza de trabajo, también actúa como agente de lavado y enfriamiento.

“Está allí principalmente para conducir la corriente y asegurarse de que ocurra la reacción”, explicó Herrington. "Pero si eso fuera completamente estático, entonces su proceso sería muy limitado en su velocidad, porque ahora llenaría todo ese electrolito con los productos de desecho, metal y gas hidrógeno, y dejaría de funcionar. Tiene que hacer fluir el electrolito a través de ese espacio, por lo que continuamente elimina esos productos de desecho".

La gestión de la solución es clave, afirmó Kowalski, señalando tres factores limitantes en cualquier máquina PECM:

De los tres, Kowalski caracteriza el caudal como "la gran limitación". Aunque PECM es un proceso diferente, Kowalski cree que sus mejores operadores provienen de un entorno EDM porque entienden la dinámica y el flujo de fluidos.

La uniformidad de la solución electrolítica que se mueve entre la herramienta y la pieza de trabajo es crítica. "Si tiene burbujas de aire o vacíos en el flujo, eso afecta la forma en que viaja la corriente entre la herramienta y la pieza de trabajo", explicó Risko. "Y, por lo tanto, afecta el metal extraído. Muchas veces se usa una configuración de herramientas llamada 'herramientas cerradas' o una caja de flujo que abarca la herramienta y la pieza de trabajo. El electrolito fluye con algo de contrapresión para asegurarse de que haya suficiente flujo uniforme entre todas las áreas del espacio entre el cátodo y la pieza de trabajo".

Controlar el flujo no es la única variable en la gestión de la solución. El proceso utiliza el mismo electrolito, nitrato de sodio, para diferentes metales, pero el pH, la conductividad y la concentración cambian para diferentes materiales.

"En su mayor parte, tenemos un pH de 8,2, casi equilibrado", dijo Kowalski. "Pero con ciertos materiales, querrás aumentar tu pH".

El sistema puede agregar automáticamente hidróxido de sodio para aumentar el pH y ácido nítrico para disminuirlo. Además de un filtro de sistema general, la máquina PECM tiene un filtro en línea fino para eliminar el metal precipitado en la solución que ayuda a evitar que vuelva a entrar en el espacio entre el ánodo y el cátodo, lo que disminuiría la calidad del mecanizado.

"La máquina tiene un proceso de filtración que captura todo lo que llamamos lodo, todos los óxidos e hidróxidos que estamos disolviendo", dijo Kowalski. "Pasa por nuestro filtro de producto y sale en forma de torta".

Algunos subproductos de PECM son tóxicos y requieren una manipulación y eliminación especiales. Debido a que la mayoría de los componentes médicos son aceros inoxidables que contienen cromo, es probable que el metal tóxico cromo-6 hexavalente esté presente en el subproducto filtrado, advirtió Risko.

"Varios de estos sistemas más avanzados ahora pueden reducir ese cromo-6 hexavalente a cromo-3, que es más fácil de desechar, porque no es un líquido tóxico", dijo.

No menos importante que la solución electrolítica es la herramienta misma. "Uno de los beneficios emocionantes de este proceso es que la herramienta no se consume con el tiempo", dijo Herrington. "Piense en el mecanizado CNC, en el que las fresas se desgastan con el tiempo, o incluso en el mecanizado por descarga eléctrica en el que se destruye el cable o el electrodo EDM. Ese no es nuestro caso".

Voxel ha utilizado CNC, micromecanizado, electroerosión por hilo, electroerosión por penetración, impresión 3D y fotolitografía para fabricar herramientas de acero inoxidable, titanio y otros metales conductores.

“Básicamente, nos brinda la capacidad de fabricar herramientas de formas realmente interesantes y exóticas”, dijo Herrington. "A veces, incluso si la herramienta nos cuesta $10 000, eso no es un gran problema para PECM. No vamos a tirarla después de algunas piezas".

Las herramientas de RM Group "son muy similares a las de un juego de troqueles de precisión que vería en una prensa de estampado", según Kowalski. "La mayoría de nuestras herramientas, si no todas nuestras herramientas, utilizan decimales de cinco lugares. Por lo tanto, estamos construyendo nuestras herramientas con una precisión de micras, no de décimas".

La solución electrolítica de nitrato de sodio es relativamente económica y, debido a que las máquinas son de alto amperaje y bajo voltaje, su operación no cuesta mucho en comparación con otros métodos de mecanizado. También son prácticamente autosuficientes y requieren poco mantenimiento, según Kowalski.

"Es casi como la sartén de un chef", dijo. "Mejora con la edad".

Los artículos más costosos son la máquina, el desarrollo del proceso y las herramientas.

"Con el costo de la máquina y la herramienta y todo lo demás, estás viendo siete cifras cuando todo está dicho y hecho", señaló Kowalski.

Los costos iniciales están asociados con el desarrollo del electrodo y la determinación de los anchos de pulso, los perfiles de vibración y cómo fluirá la solución electrolítica, explicó Herrington.

"Es posible que esté gastando otras decenas de miles de dólares adicionales en tiempo de ingeniería para desarrollar la técnica y el proceso, cómo lo hará en producción y ese tipo de cosas", dijo. "No es raro que una aplicación, desde el momento en que un ingeniero o un cliente nos envía un modelo, (que un cliente) gaste entre 50 mil y 150 mil o más para desarrollar el proceso y las herramientas".

Comparó los costos de PECM con los de un buen moldeo por inyección. Aunque ambos implican altos costos iniciales, a cambio proporcionan piezas de producción asequibles y de alta calidad.

"En muchos, muchos casos, PECM es menos costoso porque está haciendo un área de mecanizado, no está creando rebabas y tiene un excelente acabado superficial", dijo Risko. "Con un proceso de mecanizado convencional, tendría un proceso secundario de eliminación de rebabas y mejora del acabado de la superficie".

Debido a los costos de equipo y desarrollo, PECM no es adecuado para la producción de bajo volumen, dijo Risko. Sin embargo, las aplicaciones de volumen medio a alto pueden aprovechar la vida útil extremadamente larga de la herramienta y la capacidad de mecanizado de área.

"Entonces, cuando se tienen en cuenta todos estos atributos de PECM, significa que en las aplicaciones en las que el proceso sobresale, es competitivo y menos costoso", dijo Risko.

Conéctate con nosotros