技術的な詳細: Voxel Innovations はパルス電気化学を利用して金属 3D プリントの後処理に新しいアイデアを提供します

この投稿は Spectacled Bear によって 2021-12-16 12:03 に最後に編集されました。

はじめに: 金属積層造形 (AM) は、部品のニアネット製造に非常に適していますが、この方法の制限として、材料コストの高さ、最小壁厚の制限、解像度の制限があり、航空宇宙産業や医療産業における製造や公差の狭い部品に問題が生じています。
米国を拠点とする電気化学加工 (ECM) 契約製造業者である Voxel Innovations は、後処理を通じてこれらの問題に対処したいと考えています。同社は、パルス電気化学加工（PECM）プロセスを開発しました。これは、余分な材料を正確に除去しながら滑らかな表面仕上げを実現するために、大量の積層造形に使用できる有望な後処理技術であると考えています。
△PECM処理後の表面
高校の化学の知識を使って PECM の動作原理を説明します<br /> 誰もがこの過程をよりよく理解できるように、Antarctic Bear は高校の電気化学の章にある電解セルの知識を使って詳しく説明します。電解セルは電気分解に使用される装置であり、電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、通常は自然には発生しない特定の化学反応を発生させることができます。電解セルは、一般的に電解質と 2 つの電極で構成されます。電解質は、塩の水溶液または溶融塩です。
△ パルス電解加工（PECM）
電極に外部電界が印加されると、電解質中のイオンは反対の電荷を持つ電極に引き寄せられて電極に近づき、電極上で還元反応または酸化反応を起こして電子を獲得または失います。電解セルの重要な応用例としては、水の電気分解、塩水の電気分解、溶融アルミナの電気分解によるアルミニウムの製造などがあります。材料の電気メッキや金属の精錬も電解セルで行うことができます。
△電気化学加工（ECM）またはパルス電気化学加工（PECM）は、非従来型製造のカテゴリに属する材料除去方法です。
PECM は電気エネルギーと化学エネルギーの相互変換プロセスでもあり、電気分解の原理に基づいた非接触型の非従来型処理技術です。電解セルと同様に、このプロセスも外部電源、電解液、正極と負極などで構成されます。

カソード: PECM プロセスにおけるツールを表します。ツール、カソード、電極などと呼ばれることもあります。ほとんどの場合、特定のアプリケーション用に設計および製造されたテンプレートです。通常、カソードは加工される形状の反対側にあります。
陽極: 溶解するワークピースまたは材料を指します。アノードには、鍛造品、ニアネットシェイプ鋳造品、従来の機械加工部品、3D プリント部品など、さまざまな形態があります。
電解質: これは ECM プロセスにおける作動流体であり、カソードとアノードの間を流れます。電解質は通常、塩ベースの溶液であり、カソードとアノードの間に電流を流すことと、金属を溶解する金属水酸化物などの電気化学プロセスの副産物を洗い流すことという 2 つの目的があります。
ギャップ: 正式には電極間ギャップ (IEG) と呼ばれ、加工中にカソードとアノードの間に維持される空間です。電気化学加工では、ギャップがプロセスのパフォーマンスに影響を与える主な要因です。 PECM の導入により、10 ～ 100 ミクロンのギャップサイズが可能になり、最終ワークピースの解像度が向上します。

△PECM は、パルス電力を使用する、より新しく、より高精度な ECM のバリエーションですが、基本的な原理は同じです。 EDM などの他の多くの製造プロセスとは異なり、ツールとワークピースの間に接触はありません。ツールの近くにある材料は電気化学プロセスによって溶解され、副産物は流れる電解液によって洗い流されます。
ツールがワークピースの表面に向かって移動すると、ワークピースはツールと補完的な形状に加工されます。パルス DC 電流により、高精度と滑らかな表面品質が実現します。同時に、電解液がカソードとアノードの間で高速で送り出され、溶解した金属と熱が除去されます。この方法は、従来の方法では加工が困難であった合金でもバリのない 3D 形状を生成でき、摩耗も発生しません。
△生成されたパーツはツールの反対の形状を呈します。
PECM: 3D プリントの後処理に新しいアイデアをもたらす<br /> リーン製造方法の普及により、製造業者は、ネットシェイプに最も近い特徴を持つ部品を機械加工することで材料の使用効率を向上させるようになりました。このプロセスは、ニアネット製造とも呼ばれます。付加製造の急激な成長は、この傾向の直接的な結果です。従来の減算製造法と比較して、3D プリント部品は材料の無駄がほとんどなく、複数のコンポーネントを 1 つの部品に組み合わせることができ、トポロジー最適化を使用して反復コストを削減できます。しかし、この方法に欠点がないということではありません。製造プロセス中に、より厚い層ライン、より大きな粉末、より高速なレーザースキャン戦略、より積極的な再コーティング方法を使用すると、金属 AM コストを削減できますが、解像度、表面仕上げ、およびフィーチャサイズが犠牲になります。
△ パルス電解加工では、部品の特定の部分を選択的に仕上げ、他の部分は粗いまま残すことができます。この機能は、航空宇宙や医療の用途で特に役立つ可能性があります。画像提供：VoxelInnovations。
粗い表面は、重要な接合部や熱交換器の部品に滑りや摩擦を引き起こし、医療機器の細菌増殖や航空宇宙部品の疲労破損につながる可能性があります。部品の細部を精緻化するために、ほとんどの金属 3D プリンターでは、コストを考慮せずに、最小壁厚 0.3 ～ 0.5 mm 程度を実現できます。しかし、これは高精度と厳しい許容誤差が求められる重要な部品にはまったく不十分です。
△PECMの動作原理 PECMを後処理技術として使用すると、金属3Dプリント部品の最小壁厚を50μm未満に減らすことができ、解像度を向上させてニアネットシェイプ部品を実現できます。あるいは、高速で粗い金属 3D 印刷プロセスと PECM を組み合わせることで、より安価で高性能な部品を製造できるようになります。
△ 金属積層造形はこれまで不可能だった形状を生成できますが、一部の領域ではより精密な表面仕上げとより小さな壁が必要になります。パルス電気化学加工などの後処理技術はこれらの要件を満たすことができ、製造業者は 3D プリントのメリットを享受できます。画像提供：Voxel Innovations。
他の製造プロセスと比較して、3D プリント後処理技術としてのパルス電気化学加工には、いくつかの重要な利点があります。

硬度に依存しない: 電気化学的除去プロセスは材料の硬度の影響を受けず、また硬度によってプロセス速度が決まるわけでもありません。
ストレスフリー: PECM は非接触かつ非熱的なプロセスです。したがって、材料特性は変化しません。
バリなし: バリ取りプロセスでは、電気化学プロセスがよく使用されます。そのため、加工時にバリが発生するリスクはゼロです。
滑らかな表面: Voxel は、処理中にさまざまな材料の表面仕上げを 0.005 ～ 0.200 μm Ra にすることを主張しています。したがって、二次表面仕上げ技術の使用を回避することができます。
実質的に無制限の工具寿命: 加工プロセス中にカソードも工具も消費されません。そのため、大量生産にも活用できます。
並列加工: PECM は複数の部品を並列に製造できるため、生産アプリケーションに最適です。

△ 左から右へ：銅、真鍮、アルミニウム、ステンレス鋼440C、316、17-4、pyrowear53、工具鋼A2、鋼4340。
さらに、PECM はあらゆる導電性金属や合金を加工することができ、超合金など従来の方法では加工が難しい材料に特に適しています。一般的に機械加工される材料には、鋳造（単結晶）、鍛造、積層造形、粉末冶金用のさまざまな形態のニッケル、鉄、チタンベースの合金が含まれます。
△単結晶高温合金のPECM表面処理、250倍ズーム。
Voxel 社によると、PECM は、整形外科用インプラント、外科用ツール、タービンエンジン、ターボチャージャー、ロケットエンジン、熱交換器、センサー、エネルギーアプリケーションなど、高ストレス環境で使用される高価値の金属部品に最適です。典型的な例はニッケル超合金の航空タービンブレードです。PECM によりブレードの後縁が薄くなり、表面が滑らかになり、部品の性能が大幅に向上します。大量生産を可能にするには、PECM プロセスで同じカソードを再利用するだけで、数千個の同一部品を製造できるようになります。
△ PECM によりニチノール（医療機器によく使用される合金）に 0.5 mm x 10 mm の深さの穴を開けます。もちろん、このプロセスにも欠点はあります。カソードモールドの反復コストを考慮すると、PECM は 1 回限りまたは少量生産の製造業者にとって理想的なソリューションではありません。しかし、金属 3D プリントは、単純な試作から大量生産へと徐々に移行しており、大規模な開発によってこの技術のコスト効率が向上しています。
△PECM以外にも、湿式化学表面処理技術は2021年9月にイギリスで開催されたTCT 3SIXTY展示会で同様の後処理技術も展示されました。湿式化学表面処理装置のオーストリアのリーダーである RENA Technologies は、Hirtisation 技術を使用して、コーナーの鋭いエッジを維持しながら 3D プリント部品の表面を滑らかにします。この技術は、表面処理に電解質、電気化学パルス、流体力学、粒子支援化学除去を使用します。プロセス全体は機械的な処理を伴わず、電気化学的なプロセスに似ていますが、電解研磨ではないため、エネルギー消費は比較的低くなります。

参考: 1. AMの後処理としてのパルス電気化学加工
2. PECM: パルス電気化学加工について知っておくべきこと
3. パルス電気化学加工
4. PECM互換材料
5. 電気化学加工ガイド、パート 1
6. PECMと次世代製造
7. TCT 3SIXTY展示会における後処理技術の詳細な議論