El mecanizado electroquímico (ECM) gana terreno en la industria

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ECM se trata de una tecnología innovadora, es un proceso de mecanizado sin contacto en el que la dureza del material no tiene ningún impacto en la velocidad de avance o la precisión.


Cualquiera que haya examinado de cerca el proceso de ECM sabe que se trata de una tecnología innovadora, incluso si no se trata de un proceso de manufactura reciente. Tal como sucede con la electroerosión (EDM), la capacidad actual de los sistemas de control electrónicos, permite llegar a niveles de eficiencia y productividad que antes no eran posibles. Como ejemplo, tenemos el proceso de mecanizado electroquímico por pulsos PECM (por su sigla en inglés). Las bondades de las máquinas de PECM ya se utilizan en las industrias automotriz, aeroespacial, energética, al igual que en ingeniería médica, solo por mencionar algunas.

 

Mecanizado sin contacto y sin desgaste de herramientas

El ECM es un proceso de mecanizado sin contacto en el que la dureza del material no tiene ningún impacto en la velocidad de avance o la precisión. Básicamente, se pueden procesar todos los materiales conductores metálicos. El espectro abarca desde materiales estándar y aleaciones a base de níquel hasta aleaciones de titanio. Si el material es duro o dúctil juega un papel secundario en el proceso ECM, esta es una de las grandes ventajas de esta tecnología.

El hecho de que el proceso se base en un proceso electroquímico, en el que los iones metálicos que se desprenden de la pieza de trabajo se combinan con pares pertenecientes al electrolito y no a la herramienta (cátodo), no se tiene ningún desgaste de la misma. Esto a su vez contribuye a unos costes de producción muy bajos. Adicionalmente, el proceso resulta en superficies de alta calidad, que pueden alcanzar hasta Ra 0,2 µm. Incluso se pueden reproducir geometrías 3D de alta complejidad con relativa alta precisión. Generalmente en este campo, usando el proceso de PECM se puede hablar de valores cercanos a los ± 20 µm. En cuanto a productividad, se puede hablar de velocidades de avance de hasta 5 mm/min en en condiciones de desbaste. En promedio, en maquinaria de última tecnología se alcanzan de 0,1 a 0,2 mm/min en el mecanizado de acabado. 

 

REDUCCIÓN DE TIEMPOS MUERTOS CON MECANIZADO EN 5 EJES

 

Con el mecanizado electroquímico, se puede lograr una alta eficiencia económica para volúmenes unitarios de medios a altos mediante el mecanizado plano de componentes o el mecanizado paralelo de varios componentes, teniendo en cuenta el hecho de que las piezas salen con un excelente acabado y sin rebabas, directamente del proceso.

Por último, pero no menos importante, la tecnología es muy flexible. Por ejemplo, los tiempos de ciclo se pueden acortar con equipos escalables, o como lo mostraron fabricantes como EMAG en equipos de la serie PI durante la pasada feria EMO en Hannover, el sistema se puede actualizar a la automatización completa para el transporte automático tanto de herramientas, como de piezas de trabajo.

 

El ECM como alternativa al mecanizado convencional

Según Daniel Plattner, del departamento de ventas técnicas de EMAG, “por regla general, nuestros clientes buscan una alternativa al mecanizado convencional, ya que es demasiado elaborado por diversas razones y, por tanto, demasiado caro”, explica Plattner. "Somos capaces de cubrir muchas consultas que recibimos gracias a las tecnologías de perforación ECM, brochado ECM y avellanado ECM. "Esta es precisamente la razón por la cual los especialistas de EMAG ECM han desarrollado una solución de producción a medida a un precio atractivo: la nueva PI 800. Los usuarios pueden elegir entre dos modelos: el módulo PECM con oscilador y el módulo de penetración ECM, ambos para el mecanizado simultáneo de varias piezas idénticas. Cada módulo está construido sobre una base de máquina hecha de hormigón polímero que tiene propiedades óptimas de amortiguación de vibraciones y contribuye a la alta precisión de los módulos. Las guías lineales con sistemas de medición absolutos, que garantizan una alta rigidez y precisión durante las operaciones de mecanizado, se fijan a la base de la máquina.

 

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En general, los especialistas en ECM de la empresa alemana prevén grandes oportunidades para su tecnología en el futuro. Esto, por ejemplo, también se aplica de cara a la electromovilidad emergente en Asia, América y Europa: según Plattner, cuando la industria automotriz o sus proveedores planifican nuevos proyectos de producción para los que confían en flujos de trabajo eficientes, en muchas áreas de aplicación no hay forma de evitar ECM o PECM. Por un lado, el proceso simplifica el proceso de mecanizado general de componentes complejos con geometrías exigentes. En este contexto, los costes de producción pueden reducirse notablemente. Por otro lado, la eliminación electroquímica del material asegura una calidad de componente muy constante. Creemos que estas ventajas marcarán la diferencia".

La serie PI viene con una huella de solo 5,5 m2, incluida la filtración. Utiliza soluciones modulares adoptadas para reducir costos, con la posibilidad de producir pulsos de hasta 6000 A en su versión de PECM. Al mismo tiempo, se diseñó para lograr un máximo en rigidez, sobre todo para los módulos de mecanizado. Gracias a esto se logra que el proceso de ECM se ejecute con precisión, eficiencia y confiabilidad. Cortesía EMAG.

 

Aplicaciones

Mecanizado del blisks con PECM

Las exigencias en la construcción de motores aeronáuticos están aumentando. La eficiencia de las turbinas debe optimizarse continuamente y esto se consigue, entre otras cosas, con velocidades y relaciones de presión más elevadas. Sin embargo, esto aumenta la carga en el impulsor del compresor. Ésta es otra razón por la que el rotor se fabrica a menudo como un componente integral (álabes integradas al disco integrado: blisk, por su abreviatura en inglés) a partir de materiales de alta resistencia mecánica y térmica a base de níquel o incluso de titanio. Para esto se requieren nuevos procesos como el PECM. El proceso garantiza un bajo desgaste de la herramienta y una alta repetibilidad con muy buena calidad superficial. Además, no hay formación de rebabas.

Para el mecanizado general de los blisks, fabricantes como EMAG aconsejan dividirlos en un proceso de desbaste (ECM) y un proceso de acabado (PECM). La configuración de parámetros electrónicos de potencia se adaptan a cada caso particular para optimizar el proceso. 

Es importante resaltar que el ECM no genera afectación térmica en la microestructura del material, por lo que evita fallas futuras de los componentes por esfuerzos residuales.

 

Turbocargadores cada vez más potentes

En el mundo automotriz, la tendencia se mueve hacia la fabricación de motores cada más pequeños con mayor potencia. Para esto, los turbocompresores cobran cada vez más importancia. El ECM se establece como un proceso fundamental para su fabricación en masa. Cortesía: EMAG

En el mundo automotriz, la tendencia se mueve hacia la fabricación de motores cada más pequeños con mayor potencia.  Para esto, los turbocompresores cobran cada vez más importancia. Como resultado: los componentes centrales del turbocompresor, como la rueda de la turbina o el rotor de la turbina, deben producirse de manera más eficiente en grandes cantidades con materiales difíciles de mecanizar como el Inconel, donde los procesos convencionales alcanzan sus límites y abren paso al uso de procesos como el ECM.

Mecanizado de splines en rotores, mediante brochado por PECM en el módulo con oscilador de la máquina PI800 de EMAG. Cortesía: EMAG

 

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Aplicación de nuevas tecnologías: Impresión 3D + ECM

En entrevista otorgada por Richard Keller, experto de EMAG en ECM, durante la feria EMO 2019 se le preguntó si existe una aplicación en la que se superpongan la impresión 3D y la tecnología ECM. “Sí, de dos formas. Por un lado, utilizamos la tecnología de impresión 3D nosotros mismos para fabricar nuestras herramientas con canales de lavado interno (cátodos). Por otro lado, el proceso ECM ya se está utilizando hoy para postprocesar componentes impresos en 3D”, comentó Keller.

Por otro lado, a menudo, la calidad de la superficie o la precisión de los componentes impresos no cumple los requisitos impuestos a las piezas de trabajo individuales. Por lo que complementó el experto: “Aquí es donde entra en juego nuestro proceso ECM sin contacto y térmicamente neutro. Permite un post-procesamiento eficiente de áreas superficiales completas en un solo paso al bajar un cátodo de herramienta de forma correspondientemente negativa sobre la superficie a procesar, por lo que la geometría de la herramienta se transfiere a la pieza de trabajo”.

 

KNOW HOW: ¿Cómo funciona el proceso PECM?

El mecanizado electroquímico (ECM) se basa en la disolución anódica local de piezas metálicas. El cátodo es la herramienta, mientras que el ánodo es la pieza de trabajo. El espacio de trabajo relacionado con el proceso entre los electrodos se limpia con un líquido electrolítico para garantizar el flujo de corriente eléctrica. La pieza de trabajo se disuelve emitiendo iones metálicos en el electrolito debido al intercambio de carga eléctrica. El ECM tiene varias ventajas. Su principal ventaja de ECM es la alta tasa de eliminación y la independencia de la resistencia y dureza del material. Otra ventaja es la ligera influencia sobre la microestructura. Un desarrollo adicional de ECM es el mecanizado electroquímico pulsado (PECM). Esta tecnología se caracteriza por la aplicación de corriente continua pulsada. Entre los pulsos de corriente se realiza el lavado del electrolito, lo que ofrece un buen suministro de electrolito fresco y, por lo tanto, condiciones de procesamiento casi constantes. En este estudio, se aplica una oscilación mecánica adicional del cátodo de la herramienta, como se ilustra en la figura.

 

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En el paso I, el cátodo de la herramienta y la pieza de trabajo están alineados entre sí con un gran espacio y una gran cantidad de electrolito fluye a través del espacio de trabajo. El cátodo se dirige hacia la pieza de trabajo anódica y la oscilación de la herramienta se encuentra en la posición más alta. En el paso II, la oscilación del cátodo ha alcanzado su posición más profunda. Se inicia un pulso de voltaje. Es en este punto donde el espacio de trabajo es mínimo y se remueve material del ánodo siguiendo el contorno de la herramienta de una manera muy precisa. Solo una pequeña cantidad de electrolito fluye a través del pequeño espacio. Posteriormente, en el paso III, el cátodo se mueve hacia atrás y se aumenta el espacio de trabajo. Esto conduce a un aumento en la velocidad de descarga del electrolito, lo que garantiza la eliminación de los productos de la reacción: el electrolito utilizado y el calor. Desde el siguiente paso se renueva el electrolito y se continúa con el proceso. Esto permite que el PECM con una herramienta oscilante aumente aún más la calidad superficial alcanzable y la precisión del proceso.

Fuente: Hackert-Oschätzchen, M., Lehnert, N., Martin, A., Meichsner, G., & Schubert, A. (2016). Surface Characterization of Particle Reinforced Aluminum-matrix Composites Finished by Pulsed Electrochemical Machining. Procedia CIRP, 45, 351–354. doi:10.1016/j.procir.2016.02.078 

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