PECM devora metales duros

Menos estrés, mayor confiabilidad en la fabricación médica

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

"Estaban pasando por muchos golpes de matrices para producir esa vanguardia", dijo Scott Kowalski, quien trabaja con dos de los ingenieros en la patente de Philips en su papel de presidente de RM Group Holdings LLC en Ridgefield, Nueva Jersey. ECM, que es simplemente una tecnología CC (corriente continua) estándar, e introdujeron un pulso variable y una oscilación que no sólo eliminaría el borde, sino que crearía el perfil”.

Tanto el ECM como su forma modificada, el mecanizado electroquímico de precisión (PECM), se procesan mediante 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 una ventaja, hay algo ahí que el cliente no quería ni esperaba. PECM es más valor agregado. Estamos introduciendo formas, perfiles, geometrías”, añadió, señalando que el ECM se introdujo hace unos 50 años, mientras que el PECM industrializado sólo 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 velocidad controlada en una celda electrolítica. La pieza de trabajo sirve como ánodo y está separada por un espacio (que puede ser tan pequeño como 10 µ) 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 un espacio constante, la pieza de trabajo se mecaniza en la forma complementaria de la herramienta”.

PECM es ideal para manejar materiales difíciles de mecanizar y geometrías complejas utilizadas en 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 superacabadas son excelentes para implantes médicos debido a su esterilidad, así como por su biocompatibilidad. El níquel titanio, también conocido como Nitinol, es una excelente aleación para algunos implantes de fijación ósea, pero sería peligroso si el níquel del interior ingresara al torrente sanguíneo. Los fabricantes de implantes quieren superficies súper acabadas para mitigar este riesgo; Los acabados más ásperos se corroen y se desprenden más fácilmente, lo que podría ser extremadamente peligroso para el paciente.

"Existe una serie de aplicaciones para diversos implantes y componentes de herramientas quirúrgicas", dijo Don Risko, propietario de DGR Consulting LLC, Jamestown, Pensilvania. "Una de las más importantes ahora parece ser las grapadoras".

La capacidad de PECM no es ampliamente conocida, debido en parte a secretos de fabricación celosamente 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 desarrollaron capacidades para clientes que prohibían la divulgación, impidiendo así referencias a ellas en futuros argumentos de venta.

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

"Debido a que son piezas pequeñas que sufren tensiones (durante el uso), tienden a estar hechas de materiales más duros y de mayor resistencia", explicó Bruce Dworak, presidente de Hobson & Motzer Inc., Durham, Connecticut. Fabricante de componentes metálicos de precisión que ha abastecido durante mucho tiempo el mercado de dispositivos médicos, la empresa 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. "Normalmente obtenemos 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 conductores de electricidad para ser adecuados para PECM. Si bien esto ha creado cierta confusión sobre los dos procesos, sus similitudes terminan en la conductividad. En la electroerosión, el metal se funde o erosiona mediante una chispa eléctrica, quemando efectivamente el material; En PECM, una corriente eléctrica y una solución electrolítica trabajan juntas para disolver el metal de una pieza de trabajo. El electrodo de 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", añadió Risko. “Por eso, PECM se considera un proceso de mecanizado de áreas, a diferencia de un proceso de mecanizado de puntos, como el fresado o el torneado. Mecanizar un área simultáneamente puede tener ventajas significativas en comparación con múltiples configuraciones u operaciones de mecanizado utilizando el mecanizado convencional”.

Una de las principales ventajas del proceso PECM es que los materiales endurecidos se mecanizan casi tan fácilmente como aquellos en estado ablandado porque la dureza no afecta el proceso de eliminación del material. Con el mecanizado convencional, cuanto más duro es el material, más difícil resulta mecanizarlo. Como resultado, el proceso PECM sobresale en el mecanizado de materiales como el acero inoxidable (y aquellos que tienen estructuras de grano apretadas) incluso en un estado tratado térmicamente.

"Si hay algo que necesita ser procesado después de haber sido tratado térmicamente, como por ejemplo un 465, algo que es realmente duro, un 440 o 420", explicó Dworak, "esas serían algunas de las mejores aplicaciones porque no le importa". "Si están tratados térmicamente o no, no importa qué tan duros 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 verdaderamente un acabado de espejo".

Según Kowalski, PECM puede lograr un acabado superficial de 4 Ra, que mide la rugosidad promedio de una superficie. "Pero la tecnología podría ser más estricta que eso", añadió. "Quiero decir que podemos reducir a 2 Ra (cuanto menor sea el Ra, más suave será la superficie), dependiendo de la aplicación y la geometría de la pieza, si realmente se logra un acabado súper fino".

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, señalando que "la repetibilidad es primordial" para este tipo de 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 comiences", dijo Dworak. "Así que es cuestión 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, Carolina del Norte, compara una herramienta de múltiples electrodos con un molde de múltiples cavidades para moldeo por inyección.

“Si fabrica su herramienta el doble de grande, o coloca dos piezas en una sola herramienta, necesita el doble de amperaje de nuestra máquina para hacerlo, pero su tasa de hundimiento no cambia y, por lo tanto, efectivamente, su tasa de eliminación se duplica. ," él dijo. “Y entonces, si sigues esa lógica, tiene sentido que siempre que podamos, mecanicemos gran parte de la superficie simultáneamente. Podría ser una pieza más grande, mecanizando múltiples características o complejidad en una sola vez, o múltiples piezas más pequeñas (dos a la vez, cinco a la vez o 10 a la vez), todo en paralelo”.

La alta productividad que describió 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 desprende una chispa. "Entonces, si me toma cinco minutos hacer una pieza, me toma cinco minutos hacer 50 piezas".

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

"Está ahí principalmente para conducir la corriente y garantizar que se produzca la reacción", explicó Herrington. “Pero si eso fuera completamente estático, entonces su proceso será muy limitado en su velocidad, porque ahora llenaría todo ese electrolito con los productos de desecho, metal y gas hidrógeno, y dejaría de funcionar. Tienes que hacer fluir el electrolito a través de ese espacio para eliminar continuamente esos productos de desecho”.

Gestionar 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 la electroerosión porque entienden la dinámica de fluidos y el flujo.

La uniformidad de la solución electrolítica que se mueve entre la herramienta y la pieza de trabajo es fundamental. "Si hay burbujas de aire o huecos en el flujo, eso afecta la forma en que la corriente viaja entre la herramienta y la pieza de trabajo", explicó Risko. “Y por tanto, afecta al metal eliminado. Muchas veces se utiliza 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 garantizar 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 aproximadamente 8,2, casi un pH equilibrado", dijo Kowalski. "Pero con ciertos materiales, querrás aumentar su pH".

El sistema puede agregar automáticamente hidróxido de sodio para aumentar el pH y ácido nítrico para disminuirlo. Además de un filtro general del sistema, la máquina PECM tiene un filtro fino en línea 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 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 eliminar porque no es un líquido tóxico", dijo.

No menos importante que la solución electrolítica es la herramienta en sí. "Uno de los interesantes beneficios 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 el cable o el electrodo de electroerosión se destruyen. Ese no es el caso para nosotros”.

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 dólares, eso no es un gran problema para PECM. No lo vamos a tirar después de algunas partes”.

Las herramientas de RM Group “son muy similares a las de un troquel de precisión que se vería en una prensa de estampado”, según Kowalski. “La mayoría de nuestras herramientas, si no todas, utilizan decimales de cinco cifras. Por eso estamos construyendo nuestras herramientas con 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 funcionamiento no cuesta mucho en comparación con otros métodos de mecanizado. Según Kowalski, también son prácticamente autosuficientes y requieren poco mantenimiento.

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

Los elementos más costosos son la máquina, el desarrollo de procesos y las herramientas.

“Con el coste de la máquina, la herramienta y todo lo demás, al fin y al cabo estamos hablando de siete cifras”, 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 estés gastando otras decenas de miles de dólares adicionales en tiempo de ingeniería para desarrollar la técnica y el proceso, cómo vas a hacerlo 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 y 150 mil dólares o más para desarrollar el proceso y las herramientas".

Comparó los costes 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 se realiza un mecanizado de área, no se crean rebabas y se tiene un acabado superficial excelente”, dijo Risko. "Con un proceso de mecanizado convencional, tendrías un proceso secundario para eliminar rebabas y mejorar el acabado de la superficie".

Debido a los costos de equipo y desarrollo, PECM no es adecuado para producción de bajo volumen, afirmó 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 áreas.

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

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