Corrosion à visée thérapeutique : usinage électrochimique de pièces, atome par atome

Publié parÉditeur Stainless Steel World Americas 12 février 2024et

Lorsqu'on considère les différentes compétences, procédures, matériaux et systèmes utilisés dans le domaine de l'ingénierie de la corrosion, il est raisonnable de supposer que l'essentiel de ce travail vise à prévenir ou à limiter l'apparition de la corrosion. Cependant, il existe une méthode d'enlèvement de matière qui exploite les principes de la corrosion et de l'électrochimie pour « inverser » le processus d'ingénierie de la corrosion et réaliser ce que l'on peut assimiler à une « corrosion contrôlée » sur des pièces métalliques, constituant ainsi un procédé d'enlèvement de matière à part entière. Ce procédé unique est connu sous le nom d'usinage électrochimique (ECM), ainsi que dans sa version plus avancée appelée usinage électrochimique pulsé (PECM).

 

Par Kirk Gino Abolafia, responsable du marketing technique et des ventes chez Voxel Innovations

 

Cet article expliquera comment ce procédé unique d'enlèvement de matière exploite les principes de la corrosion à son avantage, les avantages distinctifs de l'usinage électrochimique et comment l'électrochimie peut être appliquée à l'usinage de pièces critiques destinées aux industries de l'énergie, de l'aérospatiale et des dispositifs médicaux.

 

En termes simples, la corrosion est le processus chimique par lequel un métal raffiné se transforme en un oxyde plus stable chimiquement. Dans la grande majorité des applications, la corrosion est un phénomène indésirable, car elle peut entraîner un affaiblissement des liaisons chimiques du métal, provoquant une décoloration, une perte de matière dans l'environnement et une fragilisation du matériau.

 

L'usinage électrochimique, quant à lui, tire parti des propriétés de la corrosion et de l'électrolyse pour créer des avantages uniques que les méthodes d'usinage conventionnelles n'offrent pas, tels que l'usinage de matériaux durs, l'enlèvement de matière sans chaleur et sans contact, une répétabilité élevée et des surfaces super finies.

 

Le PECM est une méthode d'enlèvement de matière sans contact et non thermique, capable d'une grande répétabilité, de la réalisation de petits détails et de surfaces superfinies.

 

• Usinage de matériaux durs : l’ECM ne s’intéresse pas à la dureté d’un matériau, mais à ses propriétés chimiques ; bien qu’elle ne puisse pas usiner des matériaux non conducteurs tels que les plastiques, elle est capable d’usiner des matériaux durs comme les superalliages de nickel à un rythme similaire à celui du cuivre.
• Enlèvement de matière sans chaleur ni contact : Comme le processus d'usinage électrochimique n'implique ni chaleur ni contact, il peut usiner des zones thermosensibles d'une pièce, ou des éléments à parois minces qui pourraient autrement être sujets à la déformation de l'outil.
• Répétabilité élevée : L’absence de chaleur ou de contact entraîne également une usure des outils minime, voire nulle, ce qui confère à l’usinage électrochimique un haut niveau de répétabilité et le rend particulièrement avantageux pour l’usinage de volumes importants de pièces.
• Surfaces superfinies : L’absence de chaleur ou de contact mentionnée ci-dessus permet également à l’ECM d’usiner et de finir simultanément des pièces, ce qui peut réduire les étapes nécessaires à l’usinage d’un composant fini ; l’ECM est capable de produire des surfaces jusqu’à 0,005,4 µm Ra.
• Pour comprendre le fonctionnement du procédé ECM, il est préférable de commencer par comprendre quatre composants clés de cette technologie : la cathode, l’anode, le fluide électrolytique et l’alimentation électrique.
• Cathode (outil) : Également appelée électrode, l’outillage utilisé en usinage électrochimique (ECM) est conçu comme l’inverse approximatif de la forme à usiner sur la pièce. Autrement dit, chaque projet nécessite un outillage unique et sur mesure. Il est abaissé sur la pièce pendant l’usinage, mais n’entre jamais en contact avec elle.
• Anode (pièce) : L’anode peut être constituée de n’importe quel matériau conducteur, mais l’usinage électrochimique est particulièrement adapté aux matériaux durs, tels que les alliages à haute entropie, les alliages à base de chrome et les superalliages de nickel, car le procédé ne tient compte que des propriétés chimiques de l’anode, et non de sa ténacité. Bien que l’usinage électrochimique soit souvent utilisé sur des pièces quasi-finies (qu’elles soient embouties, ébauchées ou moulées), il peut également être employé sur des barres ou des plaques brutes pour obtenir la forme souhaitée.
• Lors de l'usinage, le fluide électrolytique circule dans l'espace microscopique entre la cathode et l'anode (également appelé espace inter-électrodes ou EIE). Ce fluide remplit simultanément deux fonctions essentielles : d'une part, il catalyse la réaction électrochimique ; d'autre part, il assure le rinçage en éliminant les résidus et la chaleur, ce qui permet d'obtenir une surface lisse.

 

L'alimentation électrique fournit au fluide électrolytique le courant nécessaire à la réaction électrochimique, et ce courant est directement proportionnel à la vitesse d'enlèvement de matière. L'usinage électrochimique (ECM) est un procédé basse tension (5-50 V) et haute intensité (25-150 A/cm² ou 160-970 A/in²). C'est la principale différence entre l'ECM traditionnel et l'usinage électrochimique pulsé (PECM) plus avancé : les alimentations ECM appliquent un courant continu, tandis que le PECM fournit des impulsions de puissance plus précises pour une meilleure précision.

 

Grâce à cette compréhension fondamentale de la technologie, les utilisateurs peuvent désormais comprendre comment l'usinage électrochimique enlève les matériaux de la pièce atome par atome.

 

Lors de l'usinage électrochimique (ECM), la surface de l'anode est « usinée » par oxydation. Au cours de ce processus, un atome perd un ou plusieurs électrons, ce qui modifie sa structure atomique et le sépare des autres atomes. Bien que cette élimination de matière se produise à l'échelle microscopique, l'usinage électrochimique permet d'usiner et de finir une pièce en un temps relativement court.

 

Cette oxydation se produit car le courant électrique provenant de la source d'alimentation, en traversant le fluide, provoque un déséquilibre des électrons entre la cathode chargée négativement (outil) et l'anode chargée positivement (pièce).

 

Sous l'effet de la charge électrique, les cations chargés positivement sont arrachés de la surface de l'anode (avec leurs électrons) pour se déposer sur la surface de la cathode chargée négativement. Cependant, au lieu de se déposer sur la cathode, ces cations se lient à l'oxygène et à l'hydrogène pour former des hydroxydes métalliques neutralisés. Simultanément à cette oxydation se produit une réduction au cours de laquelle des électrons se combinent aux ions hydrogène présents à la surface de la cathode pour former du dihydrogène, un autre sous-produit de la réaction électrochimique.

 

Ce schéma illustre une série de réactions à travers une équation hypothétique où le cuivre (Cu) se dissout par réaction électrochimique en cations cuivriques et en leurs deux électrons. À la fin du procédé ECM, il se forme des hydroxydes de cuivre et du dihydrogène, qui constituent les déchets à éliminer.

 

Il s'agit du processus d'oxydation — la réaction principale de l'ECM — au cours duquel les molécules de cuivre à la surface sont décomposées en cations (dans ce cas, un cation cuivrique) et en ses électrons libres :

Cu→Cu+2+2e–

 

Il s'agit du processus de réduction, au cours duquel les électrons libres se combinent avec des ions hydrogène et forment du dihydrogène gazeux, qui est un autre sous-produit de la réaction :

 

2e(-) + 2H(+)→H2

 

Voici la formule « redox » qui rend compte de ces deux réactions simultanées :

 

Cu+2H+→Cu+2+H2

 

Les cations métalliques chargés positivement sont attirés par la cathode (outil) chargée négativement et, dans des conditions normales, se fixent à sa surface. Lors de l'usinage électrochimique, cependant, ils se transforment en hydroxydes neutres en interagissant avec l'hydrogène et l'oxygène présents dans l'eau de la solution électrolytique, généralement composée d'eau et d'un sel, tel que le NaCl.

 

Voici la formule finale dans laquelle les cations cuivriques, les électrons libres et l'hydrogène/oxygène présents dans l'eau se transforment en hydroxydes de cuivre et en hydrogène gazeux :

 

Cu²⁺ + 2e⁻ + 2H₂O → Cu(OH)₂ + H₂

 

L'absence de contact entre les cations métalliques et la surface de la cathode est une autre raison pour laquelle la cathode (outil) ne s'use pas lors du procédé d'usinage électrochimique (ECM). Le fluide retient ces hydroxydes neutralisés comme déchets et agit comme agent de rinçage, éliminant ainsi ces résidus.

 

Par exemple, la technologie PECM de Voxel Innovations tire parti de la loi de Faraday, qui stipule que les réactions chimiques se produisent le plus rapidement là où la densité de courant est la plus élevée ; en créant des cathodes uniques et personnalisées et en faisant varier l'écart inter-électrodes (IEG), la technologie PECM dispose d'un niveau de contrôle supplémentaire sur la réaction électrochimique pour développer des géométries spécifiques sur la pièce.

 

À titre de bref avertissement, veuillez garder à l'esprit qu'il s'agit d'un résumé simplifié et paraphrasé des principaux aspects de cette technologie et que de nombreuses autres variables influencent la précision et la rapidité du processus, qui ne seront pas abordées dans les sections suivantes, telles que la densité de courant, la taille de l'IEG et le pH de l'électrolyte.

Fixation osseuse en nitinol usinée par PECM. Ce procédé permet d'usiner des alliages métalliques biocompatibles comme le nitinol avec une grande précision et une excellente qualité de surface.

Applications critiques du PECM

L'usinage électrochimique trouve des applications dans plusieurs secteurs industriels critiques, notamment l'énergie, les dispositifs médicaux et l'aérospatiale, où les tolérances, la qualité des matériaux et de surface des pièces exigent des procédés de fabrication avancés.

 

Les fabricants du secteur aérospatial, par exemple, recherchent de nouvelles méthodes pour optimiser le processus de fabrication des aubes de turbines, des tuyères de fusées, des échangeurs de chaleur, des disques aubagés monoblocs (blisks), etc. Ces applications ECM nécessitent souvent des matériaux uniques capables de résister à des environnements extrêmes – tels que des flux thermiques élevés et des charges importantes, tout en répondant à des exigences de faible poids et de haute qualité de surface – ce qui peut rendre ces pièces complexes en termes de conception et de propriétés des matériaux, justifiant ainsi le recours à des méthodes de fabrication alternatives comme le PECM.

 

Les échangeurs de chaleur pour applications aérospatiales constituent un bon exemple de composants critiques aux conceptions complexes pouvant nécessiter l'utilisation de matériaux composites à matrice polymère (PECM). Les fabricants s'efforcent d'améliorer les performances de transfert thermique de ces pièces en augmentant le nombre d'éléments de refroidissement par unité de volume, ce qui complexifie davantage leur conception.

 

Les procédés d'usinage conventionnels ne sont pas toujours idéaux pour ces échangeurs de chaleur, car les éléments à parois de plus en plus fines peuvent subir des déformations thermiques ou des vibrations d'outil, amplifiées par la ténacité des matériaux (tels que les superalliages de nickel, dont l'Inconel). Le procédé PECM, en revanche, est une méthode efficace pour créer des éléments de refroidissement à parois fines et haute densité sur les échangeurs de chaleur critiques. Ce procédé d'usinage chimique s'affranchit de la ténacité du matériau de la pièce et ne génère ni chaleur ni frottement, ce qui permet d'usiner avec une relative facilité des éléments en Inconel à parois fines.

 

Il convient de noter que le cuivre est utilisé dans cet exemple en raison de sa simplicité structurelle ; l’usinage électrochimique (ECM) est généralement employé sur des matériaux plus complexes et plus difficiles à usiner que le cuivre, comme l’Inconel, qui est généralement composé de nickel, de chrome, de molybdène, de manganèse et d’autres matériaux. Cependant, les mécanismes réactionnels fondamentaux restent similaires pour tous les matériaux usinables par usinage électrochimique par plasma (PECM).

 

Par exemple, Voxel Innovations a démontré la formation de parois d'une épaisseur inférieure à 0,075 mm ou 0,003 pouce avec un rapport d'aspect de 20:1.acier inoxydable    

 

Une autre application précieuse de la technologie PECM se trouve dans des secteurs critiques de l'industrie de la fabrication de dispositifs médicaux, car les fabricants de dispositifs orthopédiques sont incités à :

 

• Utilisez des matériaux difficiles à usiner, à la fois biocompatibles et robustes, tels que certains alliages de titane et acier inoxydable
• Développer des pièces miniaturisées pour améliorer la mobilité du patient et minimiser le caractère invasif des interventions chirurgicales.
• Produire des pièces avec une qualité de surface ultra-finie, afin de minimiser les effets cytotoxiques potentiels de certains matériaux comme le nickel.

 

Ces difficultés sont exacerbées par les volumes importants de pièces nécessaires au lancement d'un produit, ce qui exerce une pression supplémentaire sur les fabricants. Des entreprises comme Voxel Innovations ont démontré que l'usinage par injection de produit (PECM) est un procédé performant pour la production en grande série de dispositifs de fixation miniaturisés et difficiles à usiner, avec une excellente qualité de surface (jusqu'à 0,005-0,4 µm Ra). L'enlèvement de matière atome par atome confère au PECM un niveau de précision, de contrôle et de répétabilité unique, impossible à atteindre avec les procédés conventionnels.