技術詳解：Voxel Innovations利用脈沖電化學為金屬3D打印后處理提供新思路

導讀：金屬增材制造 (AM) 非常適合零件的近凈制造，但這種方法的局限性在于材料成本高、最小壁厚限制達和分辨率方面的限制，給航空航天或醫(yī)療行業(yè)制造和緊公差零件制造帶來了困擾。

美國電化學加工 (ECM) 合同制造商Voxel Innovations希望通過后處理解決這些問題。這家公司開發(fā)了一種脈沖電化學加工 (PECM) 工藝，并認為這是一種很有前景的后處理技術，可在大批量增材制造中應用，實現(xiàn)光滑表面光潔度，同時精準去除多余材料。

△PECM處理后的表面

用高中化學知識講解PECM工作原理

為了方便大家更好地理解這項工藝，南極熊將用高中的電化學章節(jié)中的電解池知識詳細解釋一下。電解池是用于電解的裝置，可以將電能轉(zhuǎn)化為化學能，使某些平常情況下無法自發(fā)的化學反應得以發(fā)生。電解池一般由電解液和兩個電極組成，電解液可以是鹽類的水溶液也可以是熔融的鹽類。

△脈沖電化學加工(PECM)

當在電極上加上外加電場時，電解液中的離子會被帶相反電荷的電極所吸引，靠近該電極，進而在該電極上發(fā)生得電子或失去電子的還原或氧化反應。電解池的重要應用例子包括電解水、電解食鹽水、電解熔融的氧化鋁制取鋁等過程。材料的電鍍和金屬的精煉也可以通過電解池進行。

△電化學加工(ECM) 或脈沖電化學加工 (PECM) 是屬于非常規(guī)制造類別的材料去除方法。

PECM也是一種電能和化學能互相轉(zhuǎn)化的過程，基于電解原理的非接觸式、非常規(guī)加工工藝。類似于電解池，這項工藝也同樣由外加電源、電解質(zhì)溶液、陰陽電極等構成：

• 陰極：代表PECM工藝中的工具。它可以被稱為工具、陰極或電極。在大多數(shù)情況下，它是為特定應用而設計和制造的模板。通常，陰極與要加工的形狀相反。
• 陽極：指將被溶解掉的工件或材料。陽極可以采用多種形式，包括但不限于鍛件、近凈形鑄件、常規(guī)加工部件、3D打印部件等。
• 電解質(zhì)：這是ECM過程中的工作流體，在陰極和陽極之間流動。電解質(zhì)通常是一種鹽基溶液，具有兩個目的：允許電流在陰極和陽極之間流動；沖走電化學過程的副產(chǎn)物，包括溶解金屬的金屬氫氧化物。
• 間隙：正式名稱為極間間隙（IEG），是在加工過程中陰極和陽極之間保持的空間。在電化學加工中，間隙是影響工藝性能的主要因素。PECM的引入使間隙尺寸為10到100微米，提高最終工件的分辨率。
  

△PECM是一種更新、更精確的ECM變體，它使用脈沖電源，但基本原理保持不變。與許多其他制造工藝（例如EDM）不同，工具和工件之間不存在接觸。非�？拷�工具的材料通過電化學過程溶解，副產(chǎn)品被流動的電解液沖走。

當?shù)毒咭葡蚬ぜ�表面時，它將工件加工成與刀具互補的形狀。脈沖直流電流的加持能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和光滑的表面質(zhì)量。同時，電解液被高速泵入陰極和陽極之間，去除溶解的金屬和熱量。這種方法能夠在合金中產(chǎn)生無毛刺的3D形狀，制造傳統(tǒng)方法難以加工的合金，并且不會磨損。

△生成的零件呈現(xiàn)出與工具相反的形狀。

PECM：為3D打印后處理帶來新思路

精益制造方法的流行激勵制造商通過加工具有最接近最終形狀特征的零件來提高材料的使用率，這一過程也稱為近凈制造。增材制造的指數(shù)增長是這一趨勢的直接結(jié)果。相比于傳統(tǒng)的減材制造，3D打印部件幾乎沒有材料浪費，還能將多個組件合并為一個部件，并拓撲優(yōu)化設計降低迭代成本。但這并不代表這種方法沒有缺點。在制造過程中，使用更厚的層線、更大的粉末、更快的激光掃描策略和更積極的重涂方法雖然可以降低金屬增材制造成本，但代價是分辨率、表面光潔度和特征尺寸。

△脈沖電化學加工可以選擇性地精加工零件的某些部分，而使其他部分保持粗糙。這種能力證明對航空航天和醫(yī)療應用特別有用。圖片由VoxelInnovations提供。

粗糙的表面會在關鍵接頭或熱交換器部件中產(chǎn)生滑動和摩擦，導致醫(yī)療設備中的細菌生長，以及航空航天零件的疲勞失效。為了更精細化零部件的細節(jié)部分，大多數(shù)金屬3D打印機在不考慮成本的情況下可以實現(xiàn)大約0.3-0.5毫米的最小壁厚。然而，這對于需要高精度和嚴格公差的關鍵部件是完全不夠的。

△PECM工作原理

利用PECM作為后處理技術能夠?qū)⒔饘?D打印部件的最小壁厚減少到50μm以下，并且可以提高分辨率，實現(xiàn)近凈形狀的部件。另外，將快速、粗糙的金屬3D打印工藝與PECM相結(jié)合，可以制造更便宜、性能更高的零件。

△金屬增材制造可以制造以前不可能的幾何形狀，但某些領域需要更精確的表面光潔度和更小的壁。脈沖電化學加工等后處理技術可以滿足這些要求，使制造商能夠從3D打印中受益。圖片由Voxel Innovations提供。

與其他制造工藝相比，脈沖電化學加工作為3D打印后處理技術具有一些關鍵優(yōu)勢：

• 無關硬度：電化學去除過程不受材料硬度影響，硬度也不決定過程速度。
• 無應力：PECM是一種非接觸和非熱過程。因此，材料特性保持不變。
• 無毛刺：電化學過程經(jīng)常用于去毛刺過程。因此，在加工過程中產(chǎn)生毛刺的風險為零。
• 表面光滑：Voxel稱在加工過程中各種材料的表面光潔度為0.005-0.200μm Ra。因此，可以避免使用二次表面精加工技術。
• 近乎無限的刀具壽命：在加工過程中不會消耗陰極或刀具。因此，可用于大批量生產(chǎn)。
• 并行加工：PECM非常適合生產(chǎn)應用，因為它可以并行制造多個零件。
  

△左到右：銅、黃銅、鋁、不銹鋼440C、316和17-4、pyrowear53、工具鋼A2、鋼4340。

另外，PECM能夠加工任何導電金屬或合金，特別適合那些難以通過傳統(tǒng)方法加工的材料，例如超級合金。常用的機加工材料包括用于鑄造（單晶）、鍛造、增材制造和粉末冶金的各種形式的鎳、鐵和鈦基合金等。

△單晶高溫合金的PECM 表面處理，250 倍變焦。

Voxel稱PECM最適用于高應力環(huán)境中的高價值金屬部件，例如矯形植入物、手術工具、渦輪發(fā)動機、渦輪增壓器、火箭發(fā)動機、熱交換器、傳感器和能源應用。一個典型的例子就是鎳超合金航空渦輪葉片：通過PECM使葉片后緣更薄和表面更光滑，大大提高了零件的性能。為了實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，PECM工藝只需重復使用相同的陰極，就可能制造數(shù)千個相同的零件。

△通過PECM在鎳鈦諾（一種醫(yī)療器械中常用的合金）上開一個0.5毫米 x 10毫米深的孔

當然這項工藝也有它的缺點�？紤]到陰極模具迭代的成本，對于一次性或者小批量制造商而言，PECM不是理想的解決方案。但金屬3D打印正在從簡單的原型制作逐漸過渡到批量生產(chǎn)，大規(guī)模的開發(fā)使得這項技術更具有成本效益。

△濕法化學表面處理技術

除了PECM，2021年9月在英國舉行的TCT 3SIXTY展會上也有著類似的后處理技術。奧地利濕法化學表面處理設備領導者RENA Technologies通過Hirtisation技術平滑3D打印部件的表面，同時能夠在邊角部位保留鋒利的邊緣。這種技術使用了電解質(zhì)、電化學脈沖、流體動力學和粒子輔助化學去除法進行表面處理。整個過程不涉及機械加工，更近似于一個電化學過程，但非電解拋光，所以能耗相對較低。

參考閱讀：

1. Pulsed Electrochemical Machining as Postprocessing for AM
2. PECM: What You Need to Know About Pulsed ElectrochemicalMachining
3. PULSED ELECTROCHEMICAL MACHINING
4. PECM Compatible Materials
5. A Guide To Electrochemical Machining, Part 1
6. PECM And Next-Gen Manufacturing
7. 細說TCT 3SIXTY展會上的后處理技術