Électroérosion avec WC fabriqués de manière additive

Jun 21, 2023

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Les chercheurs exploitent désormais davantage le potentiel de la fabrication additive pour produire des électrodes d’outils en carbure de tungstène-cobalt pour l’usinage par électroérosion, en vue d’applications industrielles.

La complexité croissante des composants et les progrès continus dans la fabrication d'outils et de moules nécessitent des développements constants dans les processus de fabrication tels que l'usinage par électroérosion (EDM). Cela se fait par exemple grâce au développement de nouveaux types de chaînes de processus pour la production d'électrodes d'outils complexes. La fabrication additive (FA) permet la production de géométries d'électrodes d'outils complexes avec des canaux de rinçage internes pour les processus d'électroérosion avec peu de restrictions en termes de conception. Le carbure de tungstène-cobalt (WC-Co) représente un matériau approprié pour les électrodes d'outils d'électroérosion, qui présente une stabilité thermique et mécanique élevée et peut également être traité de manière additive. Cet article présente les premiers résultats d'études sur l'utilisation d'électrodes d'outils WC-Co fabriquées de manière additive dans l'électroérosion par enfonçage. L'Institut des machines-outils et de gestion d'usine IWF de l'Université technique de Berlin et l'Institut Fraunhofer des systèmes de production et des technologies de conception IPK sont impliqués.

Dr-Ing. M. Polte, ingénieur principal, IWF, Université technique de Berlin ; R. Hörl, M. Sc., assistant de recherche, IFW, Université technique de Berlin ; R. Bolz, M. Sc., associé de recherche, IWF, Université technique de Berlin ; Ème. Braun, M. Sc., associé de recherche, IWF, Université technique de Berlin ; RJ Neuschäfer, B. Sc., chercheur adjoint, FMI, Université technique de Berlin

Des études antérieures ([1], [2] et [3]) sur le procédé AM Laser Powder Bed Fusion de matériau WC-Co ont démontré une influence de la densité d'énergie Ev sur la teneur en cobalt CCo des échantillons fabriqués. Dans la présente étude, les électrodes d'outils ont été fabriquées par procédé AM avec chambre de traitement préchauffée et WC-Co 83/17 (comme matériau en poudre) et celles-ci ont été analysées en ce qui concerne leur influence sur le processus EDM.

En faisant varier la densité d'énergie dans une plage 300 J/mm3 ≤ Ev ≤ 900 J/mm3 en quatre étapes, la teneur en cobalt CCo et les propriétés matérielles associées des composants telles que la densité relative ρrel et la conductivité électrique κ ont été influencées. Pour chaque densité d'énergie Ev, deux échantillons ont été fabriqués et analysés en conséquence. Afin d'évaluer l'adéquation à l'électroérosion par enfonçage, d'autres tests ont été effectués avec des électrodes d'outils fabriquées de manière additive. Les échantillons ont été évalués en déterminant le taux d'enlèvement VW et l'usure relative de l'outil ϑrel pour les tests EDM respectifs.

De plus, des simulations numériques ont été réalisées pour étudier le rinçage interne des électrodes de l'outil afin d'améliorer le comportement en enlèvement de matière. Afin de déterminer la vitesse d'écoulement maximale v et le débit volumique V dans l'espace de travail, trois géométries différentes des canaux de rinçage ont été étudiées. Les tests ont été effectués pour différentes sections transversales des canaux de rinçage dans une plage de 0,196 mm2 < Ac < 0,785 mm2 et différentes pressions d'entrée dans une plage de 2 bar ≤ pc ≤ 40 bar.

Les résultats ont montré que pour les processus de FA avec une densité d'énergie de Ev = 500 J/mm3, la densité relative la plus élevée pouvait être atteinte à ρrel = 87 pour cent. En effet, une densité relative suffisamment élevée est requise pour que la résistance mécanique σm des électrodes d'outils utilisées dans l'électroérosion par enfonçage puisse résister à des pressions de rinçage élevées pS. Les échantillons, qui ont été produits avec une densité d'énergie de Ev = 900 J/mm3, ont été ne conviennent pas au processus de naufrage par érosion par étincelle en raison de leur faible densité relative ρrel.

La mesure de la teneur en cobalt CCo a montré les valeurs les plus élevées pour des densités d'énergie de Ev = 300 J/mm3. En raison de la configuration de mesure, un décalage des valeurs de la teneur en cobalt a été affiché. Pour des teneurs en cobalt de CCo > 17 pour cent, on peut également conclure qu'aucun cobalt n'a été vaporisé pendant le processus de fabrication additive. Une teneur élevée en cobalt peut éventuellement augmenter la conductivité électrique κ de l'électrode-outil, ce qui a un effet positif sur le processus d'électroérosion. Cela a pu être confirmé lors des tests d'électroérosion par enfonçage. Là, le taux d'élimination était le plus élevé avec V̇w = 5,53 mm3/min à une densité d'énergie de Ev = 300 J/mm3.