MachinetechnologieVerspaningstechnologiePrecise electrochemical machining biedt ongekende vormvrijheid

6 oktober 20137 min

Vergeet alles wat je hebt geleerd over de geometrie van verspaande werkstukken. Vergeet de geometrische beperkingen bij frezen, draaien en boren als je metalen componenten gaat ontwerpen. Zelfs een inwendig kanaal onder een hoek kun je in een metalen component braamvrij aanbrengen. Het enige dat je nodig hebt: een werkstuk van een geleidend metaal, een elektrode, eventueel een kunststof spoelkamer, een sterke stroom, een elektrolyt en een machine die uiterst precies en stabiel in de Z-richting oscilleert. Dan kun je het metaal van het werkstuk ioniseren. Precise electrochemical machining. 

‘Pemmen’: snelle en µm precisie bewerkingstechnologie voor metalen

[dropcap type=”circle” color=#ffffff background=#f16236]P[/dropcap]emmen. Die benaming heeft Pemtec laten registreren voor de bewerkingstechnologie, die oorspronkelijk door Faraday is ontwikkeld, maar nu meer dan productierijp is. Pemmen staat voor Precise ElektroChemical Machining (P-ECM). De letter P is het essentiële verschil met elektrochemisch verspanen, legt Hans Kuhn uit, directeur van Pemtec in Forbach, op de grens van de Franse Elzas met Saarbrücken. “Onze technologie is onbekend. Metaalbewerkers schrikken van het woordje chemisch; ze willen geen chemie. Daarom hebben we de naam pemmen laten registreren.”

Ion voor ion oplossen
Eigenlijk werkt de technologie voor een deel identiek aan galvaniseren. De elektrode vormt de kathode, het werkstuk de anode. Door de hydraulische Z-as wordt de elektrode tot op 10 µm van het werkstuk gebracht. Deze gaat dan met een frequentie tot 100 Hz oscilleren, waarbij elke keer als de elektrode tot op 10 µm het werkstuk is genaderd er een stroompuls van 1000 tot wel 12000 ampère (5 en 10 V) komt, direct gevolgd door het terugtrekken van het elektrode (tot 400 a 200 µm) en spoelen met elektrolyt. Dan lost een dun laagje metaal – tot op 30 nanometer nauwkeurig – op. Omdat elektrode en werkstuk elkaar niet raken en de elektrode katodisch geschakeld is, slijt de elektrode niet. Dit is een van de vele verschillen met vonkeroderen. “We lossen het metaal op, ioniseren het, en voeren het direct af door met het elektrolyt te spoelen”, legt Hans Kuhn uit. Het elektrolyt (water met zout) heeft een aantal functies: allereerst vormt het een weerstand voor de stroom die wil overspringen en zet zo de elektronen in het weg te halen materiaal op beweging. Ten tweede zorgt het door de constante spoeling met druk ervoor dat het opgeloste materiaal meteen wegspoelt. En als laatste zorgt zout voor de geleiding. De metaalionen krijgen dus niet de kans zich aan het gereedschap te hechten. Dit geeft het proces de tweede unieke eigenschap: in tegenstelling tot vonkeroderen komt er geen warmte in het werkstuk. Pemmen is een koud proces, dat niet tot microcracks leidt. Het spoelen is een van de cruciale onderdelen van het proces, omdat je in de dunne spleet direct de metaalionen moet wegspoelen. De snelle opwaartse Z beweging kan tot het ontstaan van een vacuüm leiden, wat je moet voorkomen. De elektrode kan van koper zijn, maar ook gereedschapstaal en edelstaal zijn mogelijk.

[gdl_gallery title=”precise electrochemical machining” width=”200″ height=”140″ galid=”1″ ]

Pemtec is eind jaren ’90 het proces gaan doorontwikkelen. Sinds 2006 worden de machines verkocht. Ondertussen staan er wereldwijd meer dan 100 machines. Voor de relatief kleine Franse machinebouwer – 60 medewerkers – is dat een respectabel aantal, maar Hans Kuhn en Maarten Brussee, technisch directeur, zien een veel grotere markt. “Concurrerende technieken zijn eigenlijk alle en tegelijkertijd geen enkele” merkt Kuhn op. Pemmen kent feitelijk geen concurrentie, want je kunt onderdelen maken die je met geen enkele andere technologie zo snel en zo nauwkeurig kunt produceren.

Vrije geometrische vormen
Daar zit ook het probleem, vindt Maarten Brussee. Industrieel ontwerpers en engineers kennen de technologie niet en benutten dus niet de mogelijkheden. Je bent in principe vrij in de ontwerpmogelijkheden. Een voorbeeld is een stempel voor het slaan van munten waarin Pemtec vier hologrammen heeft verwerkt. Dat kan doordat men reliëfs van 1 µm hoog kan aanbrengen. Heel nauwkeurige stansstempels zijn een andere toepassing. Omdat je ondersnijdingen kunt maken, is de standtijd veel hoger. Pemtec maakt stansstempels uit één deel die je normaal gesproken uit meerdere stempels zou moeten maken, omdat je deze vanwege de ondersnijdingen niet kunt vervaardigen met de klassieke verspaningstechnieken. Hans Kuhn: “Dankzij onze technologie heb je minder stempels nodig en kun je stansen met een veel kleinere en compactere stansmachine. Doordat er geen microscheurtjes ontstaan in het materiaal is in de praktijk gebleken dat de levensduur van de stabiele stempel verzesvoudigd is. Dit alles leidt tot een kostengunstig en efficiënt proces.”

Snel en nauwkeurig
Hoewel nauwkeurigheid normaal gesproken samen gaat met een trage bewerking, geldt dat niet voor deze technologie. In principe haalt men per puls materiaal weg. “Door de stijfheid en de nauwkeurigheid van de machine kunnen we heel nauwkeurig en snel bewerken”, legt Brussee uit. De beweging van de Z as en het spoelen in een smalle frontspleet moeten precies geregeld worden. De huidige besturing visualiseert dit en zorgt ervoor dat de bediener (hoeft geen chemicus te zijn) het proces snel heeft ingericht. Vergelijk je pemmen met andere verspanende technieken, dan worden heel complexe onderdelen uit moeilijk verspaanbaar materiaal, sneller gemaakt. Je kunt voor de machine namelijk een meervoudig gereedschap maken zodat je meerdere producten in één keer produceert. Een klant van Pemtec produceert zo in één keer 40 precisiecomponenten. Tegelijkertijd leent de technologie zich ook voor kleinere series, een trend die Brussee en Kuhn in de markt waarnemen. Je kunt de machine van Pemtec integreren in een gerobotiseerde productiecel omdat de machine qua beladingsmogelijkheden (voor en zijkant) flexibel in te richten is. “Dat maakt deze technologie zo geschikt voor zeer kleine series en voor grotere serieproductie tegelijk,” aldus Kuhn.

Koud en thermisch stabiel P-ECM proces tast eigenschappen werkstukmateriaal niet aan

Kansrijke toepassingen
De automobielindustrie is momenteel de sector met de meeste toepassingen. Bepaalde ontwikkelingen, zoals de zuinige dieselmotoren, zijn volgens Kuhn niet mogelijk zonder de inzet van pemmen. Deze technologie wordt onder andere gebruikt in de productie van brandstofinjectoren. De medische industrie is de tweede belangrijkste afzetmarkt, gevolgd door de stempel- en matrijzenindustrie. Deze laatste kan de P-ECM technologie heel efficiënt inzetten als je werkt met standaard vormen (Normalien) waar je inzetten in plaatst. Dan hoef je alleen het deel (stempel) met de elektrode te maken dat daadwerkelijk de vorm aanbrengt. Pemtec kan de elektrode snel en uiterst precies positioneren aan de hoofdspilopname, zodat je bij kleine series snel de elektrode kunt wisselen.

Begin van groei
Sinds enkele jaren zit de productie van de machinebouwer sterk in de lift. Desondanks zijn Brussee en Kuhn ervan overtuigd dat ze pas aan het begin van de groeicurve staan. Dat is eerder dit jaar bevestigd in een onderzoek door een extern adviesbureau. Dat voorspelt voor de komende jaren een forse groei van de vraag naar deze technologie. Pemtec is de enige die de machines voorpPrecise elektrochemical machining aanbiedt. Hoewel enkele onderdelen zijn gepatenteerd, is het proces zelf patentvrij. De vroegere Russische en Amerikaanse patenten zijn al lang verlopen. Toch is Hans Kuhn niet bang voor concurrentie. “Wij hebben een voorsprong en moeten die vasthouden.” Dat er anderen gaan komen, staat vast.

[accordion]
[acc_item title=”Doorbraak technologie”]

Syntens en het High Tech Platform hebben 8 zogenaamde doorbraak technologieën gedefinieerd. Dit zijn technologieën waarmee de high tech maakindustrie zich kan onderscheiden. In de komende uitgaven belicht Made-in-Europe er een aantal die interessant zijn voor de verspanende industrie. Dit keer Precise elektrochemical machining. Deze technologie is heel iets anders dan vonkeroderen of elektrochemisch verspanen en is een echte productietechnologie voor de metaalindustrie.

[/acc_item]
[acc_item title=”Pem applicatie centrum in Nederland en België

“]

Om de maakindustrie kennis te laten maken met pemmen, bouwt Pemtec in alle belangrijke industrielanden een Pem Applicatie Centrum (PAC). John Snijders (Encoma bv), die PemTec in de Benelux vertegenwoordigt, gaat op korte termijn voor de Benelux twee applicatiecentra realiseren. Eén voor de Nederlandse en één voor de Belgische markt. “Dat zijn toeleveranciers die de machine kopen voor eigen productie maar ook voor loonwerk voor derden. Daarnaast gaan deze PAC bedrijven nauw samenwerken met Encoma aan applicatie-ontwikkeling en testen voor nieuwe klanten”, legt hij dit concept uit. Samen met de PAC bedrijven wordt de kennis zo doorontwikkeld en gedeeld. Omdat veel potentiële klanten het proces amper kennen en op safe willen spelen voordat ze in de technologie investeren, produceert zo’n PAC tijdelijk voor de potentiële klant ook aanloopseries, totdat deze overtuigd is en zelf de machines koopt.  Bovendien kunnen ze alvast andere applicaties laten voorbereiden in de tijd dat de machine gemaakt wordt. Op het moment dat de machine geleverd wordt, zijn operators volledig op de hoogte en staan de processen. Zolang de PAC centra in de Benelux nog niet open zijn, doet Encoma een beroep op PemTec in Forbach en/of andere Europese PAC centra.

[/acc_item]
[acc_item title=”Meer informatie”]

Pemtec

Encoma

[/acc_item]
[/accordion]

Hier klikken