PECM frisst harte Metalle

Weniger Stress, mehr Zuverlässigkeit in der medizinischen Fertigung

Als Koninklijke Philips NV eine feine Schneide für seine in den USA verkauften Elektrorasierer von Norelco benötigte, optimierten die Ingenieure des niederländischen Unternehmens die elektrochemische Bearbeitung (ECM), um die benötigte Qualität und Zuverlässigkeit zu erreichen. Das von Philips-Ingenieuren entwickelte modifizierte Verfahren wird heute in vielen Branchen außerhalb der Körperpflege eingesetzt, darunter auch in der medizinischen Fertigung.

„Sie mussten eine Menge Stempel herstellen, um diese Schneidkante herzustellen“, sagte Scott Kowalski, der in seiner Rolle als Präsident von RM Group Holdings LLC in Ridgefield, New Jersey, mit zwei der Ingenieure am Patent von Philips arbeitet. „Sie haben es geschafft ECM, bei dem es sich lediglich um eine Standard-Gleichstromtechnologie handelt, führte einen variablen Impuls und eine Oszillation ein, die nicht nur die Kante entfernen, sondern auch das Profil erzeugen würden.“

Sowohl ECM als auch seine modifizierte Form – Precision Electrochemical Machining (PECM) – bearbeiten über einen elektrochemischen Prozess. Die Technologien werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt und führen zu deutlich unterschiedlichen Ergebnissen.

„Das ECM behebt ein Problem“, sagte Kowalski. „Da ist ein Grat, da ist eine Kante, da ist etwas, das der Kunde nicht wollte oder erwartete. PECM bedeutet mehr Mehrwert. Wir führen Formen, Profile und Geometrien ein“, fügte er hinzu und wies darauf hin, dass ECM vor etwa 50 Jahren eingeführt wurde, während es industrialisiertes PECM erst seit etwa 10 Jahren gibt.

ECM Technologies, Leeuwarden, Niederlande, beschrieb PECM folgendermaßen: „Während des PECM-Prozesses wird Metall in einer Elektrolysezelle mit Gleichstrom und kontrollierter Geschwindigkeit von einem Werkstück gelöst. Das Werkstück dient als Anode und ist durch einen Spalt (der bis zu 10 µ klein sein kann) vom Werkzeug getrennt, das als Kathode dient. Der Elektrolyt wird unter Druck durch den Zwischenelektrodenspalt gepumpt und spült so gelöstes Metall vom Werkstück weg. Während sich das Elektrodenwerkzeug auf das Werkstück zubewegt, um einen konstanten Spalt aufrechtzuerhalten, wird das Werkstück in die komplementäre Form des Werkzeugs bearbeitet.“

Laut Philips ist PECM ideal für die Handhabung schwer zu bearbeitender Materialien und komplexer Geometrien, die in modernen medizinischen Teilen verwendet werden, und es erzeugt die feinen Oberflächengüten, die die Industrie für eine hygienische Verwendung benötigt.

Die robusten Legierungen und hochveredelten Oberflächen eignen sich aufgrund ihrer Sterilität und Biokompatibilität hervorragend für medizinische Implantate. Nickeltitan, auch bekannt als Nitinol, ist eine großartige Legierung für einige Knochenimplantate, es wäre jedoch gefährlich, wenn das darin enthaltene Nickel in den Blutkreislauf gelangen würde. Um dieses Risiko zu mindern, wünschen sich Implantathersteller hochveredelte Oberflächen. Rauere Oberflächen korrodieren und splittern leichter ab, was für den Patienten äußerst gefährlich sein kann.

„Es gibt eine Reihe von Anwendungen für verschiedene Implantate und chirurgische Werkzeugkomponenten“, sagte Don Risko, Inhaber von DGR Consulting LLC, Jamestown, Pennsylvania. „Ein großes Anwendungsgebiet scheinen mittlerweile Klammergeräte zu sein.“

Laut Risko, der seit fast 40 Jahren mit ECM zusammenarbeitet, ist die Leistungsfähigkeit von PECM nicht allgemein bekannt, was zum Teil an streng gehüteten Herstellungsgeheimnissen in der Medizinbranche und anderen Branchen liegt. Dies habe die PECM-Technologie etwas „erstickt“, sagte er und verwies auf mehrere Beispiele von Unternehmen, die Fähigkeiten für Kunden entwickelten, die die Offenlegung verboten hatten, und daher eine Bezugnahme auf sie in zukünftigen Verkaufsgesprächen ausschloss.

Allerdings hat der Einsatz von PECM in der medizinischen Fertigung zugenommen.

„Da es sich um kleine Teile handelt, die (während des Gebrauchs) einer Belastung ausgesetzt sind, werden sie in der Regel aus härteren Materialien und Materialien mit höherer Festigkeit hergestellt“, erklärte Bruce Dworak, Präsident von Hobson & Motzer Inc., Durham, Connecticut Als Hersteller von Präzisionsmetallkomponenten, der seit langem den Markt für medizinische Geräte beliefert, hat das Unternehmen die Entwicklung der Hefttechnologie und die Anforderungen an Gerätekomponenten berücksichtigt.

„Und diese höherfesten Materialien und ihre Verarbeitung können sich für PECM eignen“, sagte Kowalski. „Wir bekommen normalerweise Materialien, die andere (Werkzeugmaschinen-)Hersteller nicht mögen.“

Wie bei der Elektroerosion (EDM) müssen Materialien elektrisch leitfähig sein, um für PECM geeignet zu sein. Dies hat zwar zu einiger Verwirrung über die beiden Prozesse geführt, ihre Ähnlichkeiten enden jedoch bei der Leitfähigkeit. Beim Erodieren wird Metall durch einen elektrischen Funken geschmolzen oder erodiert, wodurch das Material effektiv verbrannt wird. Beim PECM arbeiten ein elektrischer Strom und eine Elektrolytlösung zusammen, um das Metall auf einem Werkstück aufzulösen. Die EDM-Elektrode verschleißt, während sie beim PECM intakt bleibt.

„Ein weiterer Aspekt von PECM besteht darin, dass es relativ schnell Material entfernen und oft mehrere Konfigurationen und Komponenten gleichzeitig bearbeiten kann“, fügte Risko hinzu. „PECM wird daher als Flächenbearbeitungsprozess betrachtet, im Gegensatz zu einem Punktbearbeitungsprozess wie Fräsen oder Drehen. Die gleichzeitige Bearbeitung eines Bereichs kann im Vergleich zu mehreren Aufspannungen oder mehreren Bearbeitungsvorgängen bei der herkömmlichen Bearbeitung erhebliche Vorteile haben.“

Einer der Hauptvorteile des PECM-Verfahrens besteht darin, dass sich gehärtete Materialien fast genauso leicht bearbeiten lassen wie solche im erweichten Zustand, da die Härte den Materialabtragsprozess nicht beeinflusst. Bei der konventionellen Bearbeitung ist die Bearbeitung umso schwieriger, je härter das Material ist. Dadurch eignet sich das PECM-Verfahren hervorragend für die Bearbeitung von Materialien wie Edelstahl – und solchen mit dichter Kornstruktur – auch im wärmebehandelten Zustand.

„Wenn Sie etwas haben, das nach der Wärmebehandlung bearbeitet werden muss, wie zum Beispiel ein 465er, etwas, das wirklich hart ist, ein 440er oder 420er“, erklärte Dworak, „wären das einige der besseren Anwendungen, weil es egal ist.“ Ob sie wärmebehandelt sind oder nicht, es spielt keine Rolle, wie hart sie sind.“

Zusätzlich zu seiner Fähigkeit, schwer zu verarbeitende Materialien zu bearbeiten, zeichnet sich PECM dadurch aus, dass es keine Spannungen erzeugt, die zu Rissen oder Teileversagen führen können – ein kritisches Problem für die medizinische Industrie. Es ist auch bekannt, dass das Verfahren gute Ergebnisse liefert.

„Ihre Endbearbeitung ist jeder anderen Fertigungsmethode überlegen, sei es Fräsen, Schleifen oder Läppen“, sagte Kowalski. „Ich meine, das Finish, das das PECM erhält, ist wirklich ein Spiegelfinish.“

Laut Kowalski kann mit PECM eine Oberflächengüte von 4 Ra erreicht werden, was die durchschnittliche Rauheit einer Oberfläche misst. „Aber die Technologie könnte noch strenger sein“, fügte er hinzu. „Ich möchte sagen, dass wir je nach Anwendung und Teilegeometrie einen Wert von 2 Ra erreichen können (je niedriger der Ra, desto glatter die Oberfläche), wenn man wirklich eine superfeine Endbearbeitung macht.“

Die Reproduzierbarkeit von PECM ist hilfreich bei der Herstellung von Ambossen für Klammergeräte, die in der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt werden. „Wir haben Kunden, die 14.000 bis 15.000 davon pro Woche produzieren, mit einer Toleranz von 6–8 µm“, sagte Kowalski und wies darauf hin, dass „Wiederholbarkeit von größter Bedeutung“ für solche Anwendungen sei.

Ein weiterer Vorteil von PECM besteht darin, dass mehrere Teile gleichzeitig mit dem richtigen Werkzeug bearbeitet werden können.

„Die Herstellung von zwei, drei oder fünf Teilen wird genauso lange dauern wie die Herstellung von einem, wenn man erst einmal loslegt“, sagte Dworak. „Es kommt also auf die Anfangsinvestition (in das Werkzeug) an und darauf, dass in der Maschine genügend Energie und Elektrolyt vorhanden sind, um diese zu bewältigen.“

Daniel Herrington, CEO von Voxel Innovations Inc., Raleigh, NC, vergleicht ein Werkzeug mit mehreren Elektroden mit einer Form mit mehreren Kavitäten für den Spritzguss.

„Wenn Sie Ihr Werkzeug doppelt so groß machen oder zwei Teile in ein einziges Werkzeug packen, benötigen Sie dafür die doppelte Stromstärke unserer Maschine, aber Ihre Sinkrate bleibt unverändert und so verdoppelt sich effektiv Ihre Abtragsrate ," er sagte. „Wenn man dieser Logik folgt, ist es sinnvoll, dass wir, wann immer wir können, große Teile der Oberfläche gleichzeitig bearbeiten. Das kann ein größeres Teil sein, das mehrere Merkmale oder Komplexität in einem Durchgang bearbeitet, oder mehrere kleinere Teile – zwei auf einmal, fünf auf einmal oder zehn auf einmal – alles parallel.“

Die von Herrington beschriebene hohe Produktivität hat einen von Kowalskis Kunden dazu veranlasst, einer Maschine drei Bediener zuzuweisen, um den Durchsatz zu erhöhen.

Das Schöne an der Technologie sei, sagte er, dass sie keinen Funken überspringe. „Wenn ich also fünf Minuten brauche, um ein Teil herzustellen, brauche ich fünf Minuten, um 50 Teile herzustellen.“

Die Elektrolytlösung spielt bei der PECM drei Rollen. Es leitet nicht nur die elektrische Ladung zur Bearbeitung des Werkstücks, sondern fungiert auch als Spül- und Kühlmittel.

„Es dient in erster Linie dazu, den Strom zu leiten und sicherzustellen, dass die Reaktion stattfindet“, erklärte Herrington. „Aber wenn das völlig statisch wäre, wäre die Geschwindigkeit Ihres Prozesses sehr begrenzt, da Sie jetzt den gesamten Elektrolyten mit Abfallprodukten, Metall und Wasserstoffgas füllen würden und er nicht mehr funktionieren würde. Sie müssen den Elektrolyten durch diesen Spalt fließen lassen, damit Sie diese Abfallprodukte kontinuierlich ausspülen.“

Das Management der Lösung sei entscheidend, betonte Kowalski und verwies auf drei limitierende Faktoren in jeder PECM-Maschine:

Von den dreien bezeichnet Kowalski die Durchflussrate als „die große Einschränkung“. Obwohl es sich bei PECM um einen anderen Prozess handelt, ist Kowalski davon überzeugt, dass seine besten Bediener einen EDM-Hintergrund haben, weil sie Fluiddynamik und Strömung verstehen.

Die Gleichmäßigkeit der Elektrolytlösung, die sich zwischen Werkzeug und Werkstück bewegt, ist entscheidend. „Wenn sich Luftblasen oder Hohlräume in der Strömung befinden, wirkt sich das darauf aus, wie sich der Strom zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück bewegt“, erklärte Risko. „Und daher wirkt es sich auf das entfernte Metall aus. Oft wird eine Werkzeugkonfiguration namens „geschlossenes Werkzeug“ oder eine Flowbox verwendet, die das Werkzeug und das Werkstück umfasst. Der Elektrolyt fließt mit einem gewissen Gegendruck durch, um sicherzustellen, dass zwischen allen Bereichen des Spalts zwischen Kathode und Werkstück eine ausreichend gleichmäßige Strömung herrscht.“

Die Steuerung des Flusses ist nicht die einzige Variable bei der Verwaltung der Lösung. Der Prozess verwendet für verschiedene Metalle den gleichen Elektrolyten, Natriumnitrat, aber der pH-Wert, die Leitfähigkeit und die Konzentration ändern sich für verschiedene Materialien.

„Meistens haben wir einen pH-Wert von etwa 8,2, also einen nahezu ausgeglichenen pH-Wert“, sagte Kowalski. „Aber bei bestimmten Materialien sollten Sie den pH-Wert erhöhen.“

Das System kann automatisch Natriumhydroxid hinzufügen, um den pH-Wert zu erhöhen, und Salpetersäure, um ihn zu senken. Zusätzlich zu einem Gesamtsystemfilter verfügt die PECM-Maschine über einen feinen Inline-Filter, um abgeschiedenes Metall in der Lösung zu entfernen und so zu verhindern, dass es wieder in den Spalt zwischen Anode und Kathode eindringt, was die Bearbeitungsqualität beeinträchtigen würde.

„Die Maschine verfügt über einen Filterprozess, der alles, was wir Schlamm nennen, alle Oxide und Hydroxide, die wir auflösen, auffängt“, sagte Kowalski. „Es durchläuft unseren Produktfilter und kommt in Kuchenform heraus.“

Einige PECM-Nebenprodukte sind giftig und erfordern eine besondere Handhabung und Entsorgung. Da es sich bei den meisten medizinischen Komponenten um chromhaltige Edelstähle handelt, ist das giftige Metall sechswertiges Chrom-6 wahrscheinlich im gefilterten Nebenprodukt enthalten, warnte Risko.

„Einige dieser fortschrittlicheren Systeme können nun das sechswertige Chrom-6 zu Chrom-3 reduzieren, das einfacher zu entsorgen ist, da es keine giftige Flüssigkeit ist“, sagte er.

Nicht weniger wichtig als die Elektrolytlösung ist das Werkzeug selbst. „Einer der aufregenden Vorteile dieses Prozesses besteht darin, dass das Werkzeug im Laufe der Zeit nicht verbraucht wird“, sagte Herrington. „Denken Sie an die CNC-Bearbeitung, bei der sich die Schaftfräser mit der Zeit abnutzen, oder an die Elektroerosionsbearbeitung, bei der der Draht oder die Erodierelektrode zerstört wird. Das ist bei uns nicht der Fall.“

Voxel hat CNC, Mikrobearbeitung, Drahterodieren, Senkerodieren, 3D-Druck und Fotolithografie eingesetzt, um Werkzeuge aus Edelstahl, Titan und anderen leitfähigen Metallen herzustellen.

„Es gibt uns im Grunde die Möglichkeit, Werkzeuge auf wirklich interessante und exotische Weise herzustellen“, sagte Herrington. „Selbst wenn uns das Werkzeug 10.000 US-Dollar kostet, ist das für PECM manchmal kein großes Problem. Wir werden es nicht nach ein paar Teilen wegwerfen.“

Die Werkzeuge der RM Group „sind denen eines Präzisions-Matrizensatzes, den man in einer Stanzpresse sieht, sehr ähnlich“, so Kowalski. „Die meisten unserer Tools, wenn nicht alle unsere Tools, verwenden fünfstellige Dezimalzahlen. Deshalb bauen wir unsere Werkzeuge auf Mikrometer genau, nicht auf Zehntel.“

Die Natriumnitrat-Elektrolytlösung ist relativ kostengünstig und da die Maschinen eine hohe Stromstärke und niedrige Spannung haben, sind die Betriebskosten im Vergleich zu anderen Bearbeitungsmethoden nicht hoch. Laut Kowalski sind sie außerdem nahezu autark und erfordern nur wenig Wartung.

„Es ist fast wie eine Kochpfanne“, sagte er. „Mit zunehmendem Alter wird es besser.“

Die teureren Posten sind Maschine, Prozessentwicklung und Werkzeuge.

„Wenn man die Kosten für die Maschine, das Werkzeug und alles andere bedenkt, kommt man am Ende auf einen siebenstelligen Betrag“, bemerkte Kowalski.

Mit der Entwicklung der Elektrode und der Ermittlung von Impulsbreiten, Vibrationsprofilen und der Art und Weise, wie die Elektrolytlösung fließt, sind Vorlaufkosten verbunden, erklärte Herrington.

„Sie investieren möglicherweise weitere Zehntausende Dollar zusätzlich in die Entwicklungszeit, um die Technik und den Prozess zu entwickeln, wie Sie es in der Produktion umsetzen wollen und solche Dinge“, sagte er. „Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Anwendung ab dem Zeitpunkt, an dem uns ein Ingenieur oder ein Kunde ein Modell schickt, zwischen 50.000 und 150.000 oder mehr für die Entwicklung des Prozesses und der Werkzeuge ausgibt.“

Er verglich die Kosten von PECM mit denen eines guten Spritzgussverfahrens. Obwohl beide mit hohen Vorlaufkosten verbunden sind, liefern sie im Gegenzug erschwingliche, qualitativ hochwertige Produktionsteile.

„In vielen, vielen Fällen ist PECM kostengünstiger, weil die Flächenbearbeitung erfolgt, keine Grate entstehen und die Oberfläche hervorragend ist“, sagte Risko. „Bei einem herkömmlichen Bearbeitungsprozess hätte man einen sekundären Prozess zum Entfernen von Graten und zum Verbessern der Oberflächenbeschaffenheit.“

Aufgrund der Ausrüstungs- und Entwicklungskosten sei PECM nicht für die Produktion kleiner Stückzahlen geeignet, sagte Risko. Allerdings können mittlere bis große Stückzahlen von der extrem langen Werkzeugstandzeit und der Fähigkeit zur Flächenbearbeitung profitieren.

„Wenn man also alle diese Eigenschaften von PECM berücksichtigt, bedeutet das, dass das Verfahren bei Anwendungen, bei denen es hervorragend ist, wettbewerbsfähig und kostengünstiger ist“, sagte Risko.

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