PECMは硬い金属を食べます

Nov 16, 2023

医療製造におけるストレスの軽減と信頼性の向上

Koninklijke Philips NV が米国で販売する Norelco 電気シェーバーに細かい刃先が必要になったとき、オランダの会社のエンジニアは電気化学加工 (ECM) を微調整して、必要な品質と信頼性を実現しました。 フィリップスのエンジニアが考案した修正プロセスは、現在、パーソナルケア以外の医療製造など多くの業界で使用されています。

ニュージャージー州リッジフィールドにあるRMグループ・ホールディングスLLCの社長として、フィリップスの特許のエンジニア2人と協力しているスコット・コワルスキー氏は、「彼らはその最先端を生み出すために金型に多くのパンチを加えていた」と語った。 ECM は単なる標準的な DC (直流) テクノロジーであり、エッジを除去するだけでなくプロファイルを作成する可変パルスと振動を導入しました。」

ECM とその改良型である精密電気化学加工 (PECM) はどちらも、電気化学プロセスによって加工されます。 これらのテクノロジーはさまざまな目的に使用され、大きく異なる結果をもたらします。

「ECMは問題を解決中だ」とコワルスキー氏は語った。 「バリがあり、エッジがあり、顧客が望んでいない、または期待していないものがそこにあります。PECMはより付加価値が高いです。私たちは形状、プロファイル、ジオメトリを導入しています」と同氏は付け加え、ECMが導入されてから約50年が経過していることを指摘した。工業化された PECM が登場してからまだ 10 年ほどしか経っていません。

オランダ、レーワルデンの ECM Technologies 社は、PECM について次のように説明しています。「PECM プロセス中、電解槽内で制御された速度で直流電流を流して金属がワークピースから溶解されます。ワークピースはアノードとして機能し、ギャップ (つまりギャップ) によって分離されています。陰極として機能するツールからの圧力は 10µ) まで小さくすることができます。電解液は圧力下で電極間ギャップを通ってポンプで送り出され、ワー​​クピースから溶解した金属を洗い流します。電極ツールがワークピースに向かって移動すると、電極ツールがワークピースに向かって移動し、一定のギャップにより、ワークピースは工具の相補的な形状に加工されます。」

フィリップスによれば、PECM は現代の医療部品に使用される加工が難しい材料や複雑な形状を扱うのに理想的であり、業界が衛生的な使用に必要とする微細な表面仕上げを実現します。

強靱な合金と超仕上げ表面は、滅菌性と生体適合性の点で医療用インプラントに最適です。 ニチノールとしても知られるニッケルチタンは、一部の骨固定インプラントに最適な合金ですが、内部のニッケルが血流に入ると危険です。 インプラントメーカーは、このリスクを軽減するために超仕上げの表面を望んでいます。 仕上げが粗いと腐食して欠けやすくなり、患者にとって非常に危険な可能性があります。

ペンシルバニア州ジェームスタウンにある DGR Consulting LLC のオーナー、ドン・リスコ氏は、「さまざまなインプラントや手術器具のコンポーネントには、数多くの応用例が存在します。現在、大きな応用例はステープラーのようです。」と述べています。

ECMと40年近く協力しているリスコ氏によると、PECMの機能は医療業界やその他の業界で製造秘密が厳重に守られていることもあり、広く知られていないという。 これにより、PECM技術はいくぶん「抑圧」されていると同氏は述べ、企業が情報開示を禁じている顧客向けに機能を開発しており、そのため今後の売り込みでPECM技術への言及ができなくなっている例をいくつか挙げた。

ただし、医療製造分野では PECM の使用が増加しています。

「これらは（使用中に）応力がかかる小さな部品であるため、より硬い材料、高強度の材料で作られる傾向があります」と、コネチカット州ダーラムのホブソン＆モッツァー社社長、ブルース・ドウォラック氏は説明する。同社は、医療機器市場に長年供給してきた精密金属部品メーカーであり、ステープル留め技術の進化と機器部品に課せられる要求に取り組んできました。

「そして、これらの高強度材料とその加工は、PECM に応用できる可能性があります」とコワルスキー氏は語った。 「私たちは通常、他の（工作機械）メーカーが好まない材料を入手します。」

放電加工 (EDM) と同様、PECM に適した材料には導電性がなければなりません。 このため 2 つのプロセスについて多少の混乱が生じていますが、それらの類似点は導電率にあります。 EDM では、電気スパークによって金属が溶解または浸食され、材料が効果的に燃焼します。 PECM では、電流と電解液が連携してワークピース上の金属を溶解します。 EDM 電極は摩耗しますが、PECM ではそのまま残ります。

「PECM のもう 1 つの側面は、材料をかなり迅速に除去でき、多くの場合、複数の構成とコンポーネントを同時に (機械加工できる) ことです」と Risko 氏は付け加えました。 「そのため、PECM は、フライス加工や旋削などの点加工プロセスではなく、領域加工プロセスであると考えられています。領域を同時に加工することは、従来の加工を使用した複数のセットアップや複数の加工操作と比較して、大きな利点があります。」

PECM プロセスの主な利点の 1 つは、硬度が材料の除去プロセスに影響しないため、硬化した材料が軟化した状態の材料とほぼ同じように簡単に機械加工できることです。 従来の機械加工では、材料が硬ければ硬いほど加工が難しくなります。 その結果、PECM プロセスは、熱処理された状態であっても、ステンレス鋼や緻密な結晶粒構造を持つ材料などの材料の加工に優れています。

「熱処理後に加工する必要があるもの、たとえば 465 や、非常に硬いもの、440 や 420 などがある場合」と Dworak 氏は説明しました。「それらは気にしないので、より良いアプリケーションの一部になるでしょう」熱処理されているかどうかは関係なく、どれだけ硬いかは関係ありません。」

PECM は、加工が難しい材料を加工する能力に加えて、医療業界にとって重大な懸念である亀裂や部品の故障につながる可能性のある応力を加えないという点でも注目に値します。 このプロセスは良好な仕上がりを生み出すことでも知られています。

「フライス加工、研削加工、ラッピング加工など、他のどの製造方法よりも優れた仕上げが可能です」とコワルスキー氏は言います。 つまりPECMの仕上がりはまさに鏡面仕上げです。

Kowalski 氏によると、PECM は表面全体の平均粗さを測定する 4 Ra の表面仕上げを達成できます。 「しかし、技術はそれよりも厳しくなる可能性がある」と彼は付け加えた。 「私が言いたいのは、本当に超微細な仕上げを行えば、用途と部品の形状に応じて 2 Ra (Ra が低いほど表面が滑らかになる) まで下げることができるということです。」

PECM の再現性は、低侵襲手術で使用されるステープラー用のアンビルを作成するのに役立ちます。 コワルスキー氏は、「当社には、公差6～8μでこれらを週に1万4000～1万5000個生産する顧客がいる」と述べ、そのような用途では「再現性が最も重要である」と述べた。

PECM のもう 1 つの利点は、適切な工具を使用して複数の部品を同時に加工できることです。

「一度始めてしまえば、2つ、3つ、あるいは5つのパートを作るのにも、1つのパートを作るのとまったく同じ時間がかかるでしょう」とドウォラック氏は語った。 「つまり、（ツールへの）初期投資と、それに対応するのに十分なエネルギーと電解質を機械内に確保することが重要です。」

ノースカロライナ州ローリーの Voxel Innovations Inc. の CEO、ダニエル ヘリントン氏は、複数電極ツールを射出成形用の複数キャビティ金型と比較しています。

「ツールを 2 倍大きくする場合、または 1 つのツールに 2 つの部品を配置する場合、それを作成するには当社の機械からのアンペア数の 2 倍が必要ですが、沈み込み速度は変わらないため、実質的に除去速度は 2 倍になります。 、" 彼は言った。 「その論理に従えば、できる限り多くの表面を同時に加工することは理にかなっています。それは 1 つの大きな部品であり、複数の特徴や複雑さを 1 回のショットで加工することも、複数の小さな部品 (一度に 2 つ) を加工することもできます」同時に、または一度に 5 つ、または一度に 10 つをすべて並行して実行します。」

Herrington 氏が説明した生産性の高さにより、Kowalski の顧客の 1 社はスループットを向上させるために 1 台のマシンに 3 人のオペレーターを割り当てました。

このテクノロジーの美しさは、火花を散らさないことだと彼は言いました。 「つまり、1 つのパーツを作るのに 5 分かかるとしたら、50 個のパーツを作るのに 5 分かかることになります。」

PECM において電解液は 3 つの役割を果たします。 ワークピースを加工するために電荷を伝導するとともに、フラッシングおよび冷却剤としても機能します。

「主に電流を流し、反応を確実に起こすためにあります」とヘリントン氏は説明した。 「しかし、それが完全に静的であれば、プロセスの速度は非常に制限されます。なぜなら、電解液をすべて老廃物、金属、水素ガスで満たしてしまい、機能が停止してしまうからです。その隙間を電解質が通過するので、老廃物が継続的に排出されます。」

コワルスキー氏は、ソリューションの管理が鍵であると主張し、PECM マシンにおける 3 つの制限要因を指摘しました。

コワルスキー氏は 3 つのうち、流量が「大きな制約」であると特徴付けています。 PECM は異なるプロセスですが、Kowalski 氏は、PECM の最良のオペレーターは流体力学と流れを理解しているため、EDM のバックグラウンドを持つ人であると信じています。

工具とワークピースの間を移動する電解液の均一性が重要です。 「流れの中に気泡や空隙があると、工具とワーク間の電流の伝わり方に影響します」とリスコ氏は説明した。 「したがって、除去される金属に影響を与えます。多くの場合、「クローズドツーリング」と呼ばれるツーリング構成、またはツールとワークピースを取り囲むフローボックスが使用されます。電解液は、十分な電解液が存在することを確認するために、ある程度の背圧をかけて流れます。カソードとワークピースの間のギャップのすべての領域の間で均一な流れが得られます。」

フローの制御だけがソリューションの管理における唯一の変数ではありません。 このプロセスでは、異なる金属に対して同じ電解液である硝酸ナトリウムが使用されますが、材料が異なると pH、導電率、濃度が異なります。

「ほとんどの場合、pH は 8.2 程度で、ほぼバランスのとれた状態になっています」とコワルスキー氏は言います。 「しかし、特定の物質では、pHを上げる必要があります。」

このシステムは、水酸化ナトリウムを自動的に追加して pH を上げ、硝酸を追加して pH を下げることができます。 PECM 機械には、システム全体のフィルターに加えて、溶液中の沈殿した金属を除去する微細なインライン フィルターが装備されており、加工品質を低下させる原因となるアノードとカソードの間のギャップへの金属の再侵入を防ぎます。

「この機械には、いわゆるスラッジ、つまり溶解しているすべての酸化物と水酸化物をすべて捕捉する濾過プロセスが備わっています」とコワルスキー氏は語った。 「当社の製品フィルターを通過し、ケーキの形で出てきます。」

一部の PECM 副産物は有毒であり、特別な取り扱いと廃棄が必要です。 医療部品の大部分はクロム含有ステンレス鋼であるため、濾過された副産物には有毒金属である六価クロム-6が存在する可能性が高いとリスコ氏は警告した。

「これらのより高度なシステムの多くは、六価クロム6をクロム3に還元できるようになりました。これは有毒な液体ではないため、処分が容易です」と同氏は述べた。

電解液と同じくらい重要なのはツール自体です。「このプロセスの素晴らしい利点の 1 つは、ツールが時間が経っても消耗しないことです」とヘリントン氏は言います。 「時間の経過とともにエンドミルが磨耗する CNC 加工や、ワイヤーや EDM 電極が破壊される放電加工について考えてみてください。当社には当てはまりません。」

Voxel は、CNC、微細加工、ワイヤー EDM、シンカー EDM、3D プリンティング、およびフォトリソグラフィーを使用して、ステンレス鋼、チタン、その他の導電性金属からツールを作成しました。

「基本的に、これにより、非常に興味深い、珍しい方法でツールを製造できるようになります」とヘリントン氏は語った。 「場合によっては、たとえツールの価格が 10,000 ドルだったとしても、PECM にとってそれは大きな問題ではありません。私たちは、いくつかの部品を使ってそれを捨てるつもりはありません。」

コワルスキー氏によると、RM グループのツールは「スタンピングプレスで使用される精密ダイセットのツールと非常によく似ています」という。 「すべてのツールではないにしても、ほとんどのツールは小数点以下 5 桁を使用しています。そのため、私たちは 10 分の 1 以内ではなく、ミクロン以内でツールを構築しています。」

硝酸ナトリウム電解液は比較的安価で、機械のアンペア数が高く、電圧が低いため、他の加工方法に比べて運転コストがかかりません。 コワルスキー氏によると、それらは事実上自立しており、ほとんどメンテナンスを必要としません。

「まるでシェフのフライパンのようだ」と彼は言った。 「年齢を重ねるごとに良くなるよ。」

より高価なものは、機械、プロセス開発、およびツールです。

コワルスキー氏は、「機械やツール、その他すべてのコストを考慮すると、最終的には 7 桁の費用がかかることになる」と述べた。

フロントエンドのコストは、電極の開発、パルス幅、振動プロファイル、電解液がどのように流れるかを把握することに関連しているとヘリントン氏は説明した。

「技術やプロセスの開発、本番環境での実行方法など、エンジニアリングにさらに数万ドルを費やすことになるかもしれません」と彼は言う。 「アプリケーションの場合、エンジニアや顧客がモデルを送ってから、プロセスとツールの開発に（顧客が）50 万ドルから 150 万ドル、あるいはそれ以上かかることは珍しくありません。」

彼は、PECM のコストを優れた射出成形のコストと比較しました。 どちらも高額な初期費用がかかりますが、代わりに手頃な価格で高品質の製造部品を提供します。

「多くの場合、PECM は面加工を行うため、バリが発生せず、優れた表面仕上げが得られるため、コストが安くなります」と Risko 氏は言います。 「従来の機械加工プロセスでは、バリを除去し、表面仕上げを改善するという二次プロセスが必要になります。」

リスコ氏は、設備と開発コストの関係で、PECMは少量生産には適していない、と述べた。 ただし、中量から大量のアプリケーションでは、非常に長い工具寿命と領域加工能力を活用できます。

「つまり、PECM のこれらの特性をすべて考慮すると、プロセスが優れているアプリケーションでは競争力があり、コストが低いということになります」とリスコ氏は述べた。

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