技术详解：Voxel Innovations利用脉冲电化学为金属3D打印后处理提供新思路

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2021-12-20

美国电化学加工 (ECM) 合同制造商Voxel Innovations希望通过后处理解决这些问题。这家公司开发了一种脉冲电化学加工 (PECM) 工艺，并认为这是一种很有前景的后处理技术，可在大批量增材制造中应用，实现光滑表面光洁度，同时精准去除多余材料。

△PECM处理后的表面

用高中化学知识讲解PECM工作原理

为了方便大家更好地理解这项工艺，南极熊将用高中的电化学章节中的电解池知识详细解释一下。电解池是用于电解的装置，可以将电能转化为化学能，使某些平常情况下无法自发的化学反应得以发生。电解池一般由电解液和两个电极组成，电解液可以是盐类的水溶液也可以是熔融的盐类。

△脉冲电化学加工(PECM)

当在电极上加上外加电场时，电解液中的离子会被带相反电荷的电极所吸引，靠近该电极，进而在该电极上发生得电子或失去电子的还原或氧化反应。电解池的重要应用例子包括电解水、电解食盐水、电解熔融的氧化铝制取铝等过程。材料的电镀和金属的精炼也可以通过电解池进行。

△电化学加工(ECM) 或脉冲电化学加工 (PECM) 是属于非常规制造类别的材料去除方法。

PECM也是一种电能和化学能互相转化的过程，基于电解原理的非接触式、非常规加工工艺。类似于电解池，这项工艺也同样由外加电源、电解质溶液、阴阳电极等构成：

阴极：代表PECM工艺中的工具。它可以被称为工具、阴极或电极。在大多数情况下，它是为特定应用而设计和制造的模板。通常，阴极与要加工的形状相反。
阳极：指将被溶解掉的工件或材料。阳极可以采用多种形式，包括但不限于锻件、近净形铸件、常规加工部件、3D打印部件等。
电解质：这是ECM过程中的工作流体，在阴极和阳极之间流动。电解质通常是一种盐基溶液，具有两个目的：允许电流在阴极和阳极之间流动；冲走电化学过程的副产物，包括溶解金属的金属氢氧化物。
间隙：正式名称为极间间隙（IEG），是在加工过程中阴极和阳极之间保持的空间。在电化学加工中，间隙是影响工艺性能的主要因素。PECM的引入使间隙尺寸为10到100微米，提高最终工件的分辨率。

△PECM是一种更新、更精确的ECM变体，它使用脉冲电源，但基本原理保持不变。与许多其他制造工艺（例如EDM）不同，工具和工件之间不存在接触。非常靠近工具的材料通过电化学过程溶解，副产品被流动的电解液冲走。

当刀具移向工件表面时，它将工件加工成与刀具互补的形状。脉冲直流电流的加持能够实现高精度和光滑的表面质量。同时，电解液被高速泵入阴极和阳极之间，去除溶解的金属和热量。这种方法能够在合金中产生无毛刺的3D形状，制造传统方法难以加工的合金，并且不会磨损。

△生成的零件呈现出与工具相反的形状。

PECM：为3D打印后处理带来新思路

精益制造方法的流行激励制造商通过加工具有最接近最终形状特征的零件来提高材料的使用率，这一过程也称为近净制造。增材制造的指数增长是这一趋势的直接结果。相比于传统的减材制造，3D打印部件几乎没有材料浪费，还能将多个组件合并为一个部件，并拓扑优化设计降低迭代成本。但这并不代表这种方法没有缺点。在制造过程中，使用更厚的层线、更大的粉末、更快的激光扫描策略和更积极的重涂方法虽然可以降低金属增材制造成本，但代价是分辨率、表面光洁度和特征尺寸。

△脉冲电化学加工可以选择性地精加工零件的某些部分，而使其他部分保持粗糙。这种能力证明对航空航天和医疗应用特别有用。图片由VoxelInnovations提供。

粗糙的表面会在关键接头或热交换器部件中产生滑动和摩擦，导致医疗设备中的细菌生长，以及航空航天零件的疲劳失效。为了更精细化零部件的细节部分，大多数金属3D打印机在不考虑成本的情况下可以实现大约0.3-0.5毫米的最小壁厚。然而，这对于需要高精度和严格公差的关键部件是完全不够的。

△PECM工作原理

利用PECM作为后处理技术能够将金属3D打印部件的最小壁厚减少到50μm以下，并且可以提高分辨率，实现近净形状的部件。另外，将快速、粗糙的金属3D打印工艺与PECM相结合，可以制造更便宜、性能更高的零件。

△金属增材制造可以制造以前不可能的几何形状，但某些领域需要更精确的表面光洁度和更小的壁。脉冲电化学加工等后处理技术可以满足这些要求，使制造商能够从3D打印中受益。图片由Voxel Innovations提供。

与其他制造工艺相比，脉冲电化学加工作为3D打印后处理技术具有一些关键优势：

无关硬度：电化学去除过程不受材料硬度影响，硬度也不决定过程速度。
无应力：PECM是一种非接触和非热过程。因此，材料特性保持不变。
无毛刺：电化学过程经常用于去毛刺过程。因此，在加工过程中产生毛刺的风险为零。
表面光滑：Voxel称在加工过程中各种材料的表面光洁度为0.005-0.200μm Ra。因此，可以避免使用二次表面精加工技术。
近乎无限的刀具寿命：在加工过程中不会消耗阴极或刀具。因此，可用于大批量生产。
并行加工：PECM非常适合生产应用，因为它可以并行制造多个零件。

△左到右：铜、黄铜、铝、不锈钢440C、316和17-4、pyrowear53、工具钢A2、钢4340。

另外，PECM能够加工任何导电金属或合金，特别适合那些难以通过传统方法加工的材料，例如超级合金。常用的机加工材料包括用于铸造（单晶）、锻造、增材制造和粉末冶金的各种形式的镍、铁和钛基合金等。

△单晶高温合金的PECM 表面处理，250 倍变焦。

Voxel称PECM最适用于高应力环境中的高价值金属部件，例如矫形植入物、手术工具、涡轮发动机、涡轮增压器、火箭发动机、热交换器、传感器和能源应用。一个典型的例子就是镍超合金航空涡轮叶片：通过PECM使叶片后缘更薄和表面更光滑，大大提高了零件的性能。为了实现大批量生产，PECM工艺只需重复使用相同的阴极，就可能制造数千个相同的零件。

△通过PECM在镍钛诺（一种医疗器械中常用的合金）上开一个0.5毫米 x 10毫米深的孔

当然这项工艺也有它的缺点。考虑到阴极模具迭代的成本，对于一次性或者小批量制造商而言，PECM不是理想的解决方案。但金属3D打印正在从简单的原型制作逐渐过渡到批量生产，大规模的开发使得这项技术更具有成本效益。

△湿法化学表面处理技术

除了PECM，2021年9月在英国举行的TCT 3SIXTY展会上也有着类似的后处理技术。奥地利湿法化学表面处理设备领导者RENA Technologies通过Hirtisation技术平滑3D打印部件的表面，同时能够在边角部位保留锋利的边缘。这种技术使用了电解质、电化学脉冲、流体动力学和粒子辅助化学去除法进行表面处理。整个过程不涉及机械加工，更近似于一个电化学过程，但非电解抛光，所以能耗相对较低。

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