3D打印零件快速加工技术对电火花加工电极开发的影响

摘要

快速加工(RT)在增材制造(AM)中的作用似乎是必不可少的，以改善和扩展制造熟练度的前景。本文对RT电极在电火花加工领域的应用进行了探索和研究。熔融沉积建模(FDM)是采用AM工艺制作电火花电极原型铜涂层的方法之一。铜通过电镀沉积在fdm制造的ABS塑料组件上约1毫米厚。采用镀铜FDM (CCF)电极和实心铜(SC)电极在工具钢作为工件的电火花冲床上进行了实验。CCF聚合物电极可以有效地用于电火花加工操作，因为任何复杂形状的构建时间都大大缩短了。然而，材料去除率(MRR)远低于SC电极。建议将CCF电极用于MRR较低的半精加工和精加工。然而，由于在加工工具上产生的高温会使CCF变质，而塑料芯很难承受这样的高温。

1.介绍

为了满足客户和竞争者不断发展的产品的日常需求，当前的技术制造过程变得困难。工业技术的发展在很大程度上有助于在规定的时间和成本内满足需求。然而，生产计划需要特定应用的工具/模具，无论是小型或大型批量生产，以调节产品的精加工。产品的生产费用主要由工装费用来评估，而不是由机加工费用来评估[1]当前的进展，如3D打印（AM）用于开发模型，以及使用现代技术生产工具的快速模具（RT），主要是为了尽可能缩短工具生产时间，从而缩短生产时间，以实现竞争优势。减法生产法利用各种工艺从未完成的工件上去除多余的不需要的物质。现代加工方法如电化学加工（ECM）、磨料喷射加工（AJM）、超声波加工（USM）和电火花加工（EDM）通常用于加工难以加工的复杂形状和空腔/孔。对于特定零件/模型要求，原料、工艺应用和后处理条件等因素会受到影响。

AM的五个步骤包括准备CAD模型、STL版本、划分和程序编写、选择AM类型和后处理要求。他们对工艺输出和性能、尺寸正确性、表面状况、机械耐久性、建造时间等有一定的责任。通过对多个过程变量的精确设置，模型得到了显著的增强。AM生成更重要的分辨率更快，并取决于累积层、物质、复合材料和固化方法[2］．

Crump等人在1989年首次成功开发了FDM, Stratasys Inc.在1990年推出了第一台工业FDM集团设备。FDM通过将熔融的热塑性物质沉积在支撑平面上，或通过与相邻物质粘在一起，生成一个组件，然后在空气中冷却，生成最终所需的产品。FDM通常使用的电线是一种热塑性物质，如ABS塑料、蜡和尼龙。fdm生产的产品的输出质量取决于光栅的角度、厚度、宽度、喷嘴、腔室温度和进料速率。在FDM产品制造过程中，光栅倾斜诱导沉积路径上的分子结合[3.］．体积的减少导致层间结合不充分，孔隙率较高，因为在凝固阶段仍处于半熔融状态。利用有限元分析(FEA)对FDM凝固过程进行了模拟，发现集中的残余应力使零件基体表面发生了变形[4］．零件的倾斜度会影响成型时间、零件强度、表面纹理和尺寸精度，因此当发生空穴形成时，拉伸强度会随着倾斜度的增加而持续降低。套管温度对两种相邻纤维的粘结能力和粘结强度均有影响[5］．随着组织的改善，构件的机械耐久性也随之提高。在铺丝过程中，纤维温度的变化会导致变形导致尺寸不精确。因此，在建议FDM应用于RT之前，理解FDM的缺点是必不可少的。

各种操作，如轮廓，深沟槽，口袋成形，行星加工操作可以使用压模电火花加工[6］．计算机数字调节电火花加工是提高精度、性能和生产率的最先进的方法[7］．电火花加工参数包括电极放电电流(增强火花及其脉冲持续时间)、介质溶液和喷射压力、刀具类型和几何形状以及工件物质[8］．采用理想相似度排序技术(TOPSIS)进行电火花加工表面性能的多准则决策。在最大残余压应力下，AISI 304不锈钢的平均白层厚度和表面粗糙度达到最小水平，而电流对等离子体形成的影响最大[9］．采用基于田口-灰色分析的准则决策方法，对电火花线切割工艺的质量特性(如重铸层厚度、线材磨损率和显微硬度)进行了评价。有助于产生火花能量的丝电极选择因素是对质量特性影响最大的因素[10］．主要改变电火花加工性能测量的变量是MRR (mm^3./min)、TWR(电极体积与工件材料体积的百分比比)和腐蚀腔的表面粗糙度(SR)，以算术平均粗糙度(Ra)表示。工艺变量以及电极几何形状、刀具和工件材料性能(如热/电导率和耐磨性)，深刻地影响着电火花加工的输出[11］．研究了D2钢加工过程中矩形钨铜电极的试验结果，发现电极表面有碳、铁、铬沉积。通过稳定电流和脉冲持续时间，控制碳层沉积，使MRR达到最大[12］．

RT是AM模型的一种连续形式，直接从CAD插图转换为工具，以满足即时要求。RT分为直接和间接模具和铸造模式。FDM生产的电极在各种EDM应用（粗加工、半精加工和精加工）中进行一些后处理.由于不同的电气和机械性能（非导电、导电和铸造模式），AM制造电极的后处理阶段不同[13］．因此，AM不导电的原型表面要经过金属化的中间工序，使工作表面导电，并涂上合适的金属涂层[14］．塑料(环氧)模型金属化电火花加工电极的简单平面形状在工具钢上加工一个4毫米深的切口，没有电极失效。该方法可用于半粗或精切操作[15］．结果表明，由于线性热膨胀的变化导致铜壳剪切应力增大，导致环氧-金属界面发生破坏[16]电镀AM电极的沉积铜（Cu）厚度不均匀是这些工艺的主要缺点之一。刀具的CAD模型包含各种几何拓扑，如深槽，这些深槽在铣削过程中会与不同角度的曲面一起产生问题。使用直接快速RT工艺很容易产生这种几何形状。如果没有足够数量的铜层，由于涂层厚度的变化导致表面光洁度差和/或尺寸不准确，当腐蚀开始使电极不适合电火花加工时，电极将立即烧坏[17］．通过对比可以看出，与金属喷涂相比，电镀电极具有更大的密度和更坚固的性能[18］．电铸电镀精确地再现芯棒的形状而不收缩和变形，从而产生类似的金属成形过程(铸造、冲压或拉伸)[19］．研究了快速电火花加工电极的使用，该电极由最适合的两种不同的RT工艺用于激光烧结工具的加工(立体光刻模型的铜涂层和直接金属激光烧结(青铜)模型)。两个电极上沉积的铜量具有挑战性，因为电镀过程不能在其内部腔内沉积足够的铜，而且铜层厚度从外部逐渐减少。实际上，在内壁和底面没有沉积。因此，电极不适用于电火花加工工艺[20.］．

在对AM和RT的不同领域进行了重要调查之后，人们注意到，很少有研究使用快速加工技术将3D打印塑料开发成EDM电极。铜可以通过电镀沉积在3D打印聚合物材料上，达到适当的厚度。本工作致力于镀铜3D打印聚合物电极模型的实验研究，并与工具合金钢电火花加工时的实心铜电极进行了比较。

2.方法和材料

2．1．将3D打印聚合物转变为快速工具导电电极

它描述了3D打印ABS塑料电极的制作过程，使用FDM工艺和不同的工艺来金属化塑料电极和测试样品(图)1)．然后，利用3D打印塑料表面的金属化将其转化为电火花电极。金属化过程将金属沉积在塑料表面上。通过电镀工艺将塑料/聚合物材料转变为导电表面，并将厚度提高到更高水平。3D打印聚合物电极表面涂有导电银漆约6至8μM厚，让它晾干。其次，进行化学退火，还原含有沉淀银颗粒的胶体银。它们必须在高于大气压0.2的压力下小心过滤μM大小的滤网，并保留在密封容器中使用。将得到的冷凝银胶体分散体应用于塑料表面的薄层中并进行干燥。多次重复这种涂层会产生更好的效果。

它在90°C的烤箱中保存了大约半个小时，使这些精细的纯银层1到3μM粘附于塑料表面。最后，在3D打印聚合物电极样品表面以Al分散浆料的形式化学镀Al分散涂层。干燥24小时，形态，大约10μM厚，用高级砂纸温和地擦洗表面以抛光。然后用纯净水冲洗，50℃干燥60分钟。然后，将样品浸入化学镀铜浴液中约4小时。用蒸馏水冲洗后，干燥的表面具有导电性。所有电极和FDM模型都要电镀数小时，以增加每个样品在镀液中的铜沉积厚度约24小时。

通过维护的平均利率的沉积电流密度和室温无添加剂和连续过滤解决方案,通过停止过程的几个小时后,测量厚度达到了解沉积的速率,我们增加厚度增加沉积时间,按照这个速度,它就像一个稳定的状态。在以110的速度电镀时，电极的最大电镀时间约为210小时，得到厚度为1 mm的镀层μ米/ 24小时。使用扫描电子显微镜(SEM)确定厚度，因为它们提供了直接证据[19］．

2．2.实验方法

在加工淬硬工具钢工件时进行了腔式电火花加工试验。制作直径75mm、工具钢厚度5mm的工件试样，对工件表面进行磨削和清洁。电火花加工使用厚电镀3D打印聚合物RT (ECRT)制成的电极。在确认了产生良好结果的可能性后，按照一组标准参数对厚铜ECRT电极进行了一组试验，如表所示1．材料去除率(MRR)、刀具磨损率(TWR)和表面粗糙度参数(SR)由试验结果计算，代入其数学方程(1) (2)．SR参数(在μm)在不同位置用轮廓仪测量，截距为0.8 mm，平均值列于表中2- - - - - -4．用相同尺寸的固体铜电极进行了类似的试验。在相同的输入参数和工件条件下，比较了RT电极和铜电极的实验结果。为了比较RT和SC工具的性能，电火花加工过程的三个影响因素，即放电电流(DC)、脉冲通时间( ),及占空比( ）在开路电压(V)为40、冲洗压力为0.035 MPa的条件下，对磁流变、TWR和SR进行了研究。对两个电极分别进行10分钟的电火花加工，结果列于表格中2- - - - - -4使直流电压从2到4 A变化并改变和(参阅公式(1双电极[19］．在哪里加工时间(约1小时)和和铜和工件的密度是否(kg/m^3.)．分别为电极和工件的重量损失。


参数	范围	参数	范围

铜的密度,	7725公斤/米^3.	工具合金钢的密度，	9860公斤/米^3.
开路电压	60 V	占空因数	60％
当前的	6	启动时间	200微秒


当前的(Amp)。	在						在						在
当前的(Amp)。	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT

2	1.865	1.775	0.037	0.016	3.521	4.421	2.020	1.990	0.043	0.015	3.237	4.137	1.925	1.895	0.053	0.014	3.894	4.794
2.15	1.923	1.841	0.039	0.018	3.600	4.500	2.058	2.032	0.045	0.017	3.302	4.202	1.942	1.913	0.055	0.016	3.943	4.843
2．3	1.987	1.913	0.041	0.019	3.687	4.587	2.101	2.080	0.047	0.019	3.374	4.274	1.965	1.937	0.057	0.018	4.001	4.901
2.45	2.056	1.992	0.044	0.021	3.782	4.682	2.150	2.135	0.049	0.020	3.454	4.354	1.993	1.968	0.060	0.020	4.066	4.966
2．6	2.132	2.078	0.046	0.022	3.885	4.785	2.204	2.197	0.052	0.022	3.542	4.442	2.027	2.006	0.062	0.021	4.139	5.039
2.75	2.212	2.170	0.049	0.024	3.995	4.895	2.264	2.265	0.054	０．０２３	3.638	4.538	2.066	2.050	0.065	０．０２３	4.220	5.120
2．9	2.299	2.269	0.051	0.025	4.113	5.013	2.330	2.340	0.057	0.025	3.741	4.641	2.111	2.101	0.067	0.025	4.308	5.208
3.	2.359	2.339	0.053	0.026	4.197	5.097	2.377	2.394	0.059	0.026	3.814	4.714	2.144	2.139	0.069	0.026	4.372	5.272
3．15	2.455	2.449	0.056	0.027	4.328	5.228	2.452	2.480	0.061	0.028	3.930	4.830	2.199	2.201	0.072	0.028	4.473	5.373
3.3	2.556	2.566	0.059	0.029	4.466	5.366	2.533	2.573	0.064	0.029	4.054	4.954	2.259	2.270	0.075	0.030	4.582	5.482
3.45	2.663	2.689	0.062	0.030	4.613	5.513	2.619	2.672	0.068	0.031	4.186	5.086	2.325	2.345	0.078	0.031	4.699	5.599
3.6	2.776	2.819	0.065	0.031	4.767	5.667	2.711	2.778	0.071	0.032	4.325	5.225	2.396	2.427	0.081	0.033	4.823	5.723
3．75	2.894	2.956	0.069	0.032	4.929	5.829	2.809	2.891	0.074	0.034	4.473	5.373	2.473	2.516	0.085	0.035	4.956	5.856
3.9	3.018	3.100	0.072	0.034	5.099	5.999	2.912	3.011	0.078	0.035	4.627	5.527	2.556	2.612	0.088	0.036	5.096	5.996
4	3.104	3.199	0.075	0.035	5.217	6.117	2.984	3.094	0.080	0.036	4.735	5.635	2.614	2.679	0.091	0.037	5.194	6.094


当前的(Amp)。	在						在						在
当前的(Amp)。	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT

2	1.865	1.775	0.037	0.016	3.521	4.421	1.880	1.765	0.039	0.016	3.541	4.441	1.915	1.880	0.047	0.021	3.704	4.604
2.15	1.923	1.841	0.039	0.018	3.600	4.500	1.964	1.856	0.041	0.017	3.637	4.537	2.025	1.996	0.049	0.022	3.816	4.716
2．3	1.987	1.913	0.041	0.019	3.687	4.587	2.054	1.953	0.044	0.019	3.740	4.640	2.141	2.119	0.051	０．０２３	3.935	4.835
2.45	2.056	1.992	0.044	0.021	3.782	4.682	2.149	2.058	0.046	0.020	3.851	4.751	2.262	2.248	0.054	0.025	4.062	4.962
2．6	2.132	2.078	0.046	0.022	3.885	4.785	2.250	2.168	0.048	0.021	3.970	4.870	2.389	2.384	0.056	0.026	4.197	5.097
2.75	2.212	2.170	0.049	0.024	3.995	4.895	2.356	2.286	0.051	０．０２３	4.097	4.997	2.521	2.527	0.059	0.027	4.340	5.240
2．9	2.299	2.269	0.051	0.025	4.113	5.013	2.469	2.410	0.053	0.024	4.231	5.131	2.659	2.676	0.061	0.028	4.490	5.390
3.	2.359	2.339	0.053	0.026	4.197	5.097	2.546	2.496	0.055	0.025	4.325	5.225	2.754	2.779	0.063	0.029	4.595	5.495
3．15	2.455	2.449	0.056	0.027	4.328	5.228	2.668	2.632	0.058	0.026	4.472	5.372	2.902	2.940	0.066	0.030	4.758	5.658
3.3	2.556	2.566	0.059	0.029	4.466	5.366	2.795	2.774	0.061	0.027	4.627	5.527	3.055	3.107	0.069	0.031	4.929	5.829
3.45	2.663	2.689	0.062	0.030	4.613	5.513	2.928	2.922	0.064	0.028	4.790	5.690	3.214	3.280	0.072	0.032	5.108	6.008
3.6	2.776	2.819	0.065	0.031	4.767	5.667	3.067	3.077	0.067	0.030	4.960	5.860	3.378	3.460	0.075	0.033	5.295	6.195
3．75	2.894	2.956	0.069	0.032	4.929	5.829	3.211	3.239	0.071	0.031	5.138	6.038	3.548	3.647	0.079	0.034	5.489	6.389
3.9	3.018	3.100	0.072	0.034	5.099	5.999	3.361	3.408	0.074	0.032	5.324	6.224	3.724	3.841	0.082	0.035	5.691	6.591
4	3.104	3.199	0.075	0.035	5.217	6.117	3.464	3.524	0.077	0.033	5.452	6.352	3.844	3.974	0.085	0.036	5.830	6.730


当前的(Amp)。	在						在						在
当前的(Amp)。	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT	MRR SC	MRR RT	TWR SC	TWR RT	SR SC	SR RT

2	1.925	1.895	0.053	0.014	3.894	4.794	1.865	1.785	0.055	0.014	3.478	4.378	1.825	1.800	0.063	0.018	3.204	4.104
2.15	1.942	1.913	0.055	0.016	3.943	4.843	1.908	1.828	0.057	0.015	3.544	4.444	1.894	1.868	0.065	0.020	3.286	4.186
2．3	1.965	1.937	0.057	0.018	4.001	4.901	1.956	1.877	0.060	0.017	3.617	4.517	1.968	1.943	0.067	0.022	3.376	4.276
2.45	1.993	1.968	0.060	0.020	4.066	4.966	2.010	1.934	0.062	0.019	3.699	4.599	2.048	2.024	0.070	０．０２３	3.473	4.373
2．6	2.027	2.006	0.062	0.021	4.139	5.039	2.070	1.996	0.064	0.021	3.788	4.688	2.134	2.112	0.072	0.025	3.579	4.479
2.75	2.066	2.050	0.065	０．０２３	4.220	5.120	2.135	2.066	0.067	0.022	3.885	4.785	2.225	2.207	0.075	0.026	3.692	4.592
2．9	2.111	2.101	0.067	0.025	4.308	5.208	2.206	2.142	0.069	0.024	3.989	4.889	2.322	2.308	0.077	0.028	3.812	4．712
3.	2.144	2.139	0.069	0.026	4.372	5.272	2.256	2.196	0.071	0.025	4.063	4.963	2.389	2.379	0.079	0.029	3.897	4.797
3．15	2.199	2.201	0.072	0.028	4.473	5.373	2.337	2.284	0.074	0.027	4.181	5.081	2.495	2.492	0.082	0.030	4.031	4.931
3.3	2.259	2.270	0.075	0.030	4.582	5.482	2.423	2.378	0.077	0.028	4.306	5.206	2.607	2.611	0.085	0.032	4.172	5.072
3.45	2.325	2.345	0.078	0.031	4.699	5.599	2.514	2.478	0.080	0.030	4.439	5.339	2.725	2.736	0.088	0.033	4.321	5.221
3.6	2.396	2.427	0.081	0.033	4.823	5.723	2.612	2.585	0.083	0.031	4.580	5.480	2.848	2.868	0.091	0.035	4.478	5.378
3．75	2.473	2.516	0.085	0.035	4.956	5.856	2.715	2.699	0.087	0.033	4.728	5.628	2.977	3.007	0.095	0.036	4.643	5.543
3.9	2.556	2.612	0.088	0.036	5.096	5.996	2.823	2.820	0.090	0.034	4.884	5.784	3.111	3.153	0.098	0.038	4.815	5.715
4	2.614	2.679	0.091	0.037	5.194	6.094	2.899	2.904	0.093	0.035	4.993	5.893	3.204	3.254	0.101	0.038	4.934	5.834

它采用银分散溶液而不是银漆进行化学退火，产生柱状结构，更适合于厚电镀。因此，电极在涂有银分散溶液(化学退火产生)的样品上进行约200小时的铜电镀。铜的厚度约为1毫米。

3.结果和讨论

电火花加工是通过改变输入，如直流，，和利用3D打印聚合物铜包覆电极和传统固体铜电极对MRR、TWR和SR等性能特性进行了分析。

变化的直流和脉冲接通时间对三个输出的综合影响绘制在图中(图2- - - - - -4)的SC和镀铜FDM RT电极。一般来说,所有的数据显示这三个输出认为这个MRR TWR,和老的电极不同c .直流增加时,火花的能量也增加,产生额外的热量导致一个大粒度的金属从工作表面,损坏机械加工表面的质量。

数据2，5,6图中显示了材料去除率(MRR)随DC的增加而增加的曲线占空比(tau)，因为通过增加直流，它直接影响输出能量，导致凹坑尺寸的增加，导致MRR的增加，而在考虑组合对于直流，则注意到越高价值对MRR的影响大于．然而，当比较两个电极的直流时，MRR有轻微的变化，，和．数据2，5,6结果表明，对于SC和RT电极，MRR随直流电的增加而单调增加。还可以看到导致MRR只有很小的增加。相反，当非常低。的增加由于热流以等离子体管道的形式传导到工件上的时间更长，引起了MRR的增加。但连续热流的应用是通过增加来延长的，等离子体通道内的压力减小。因此，由于不影响金属熔融体积，MRR也降低。同样，可以看出DC和MRR随DC的增加而增加，但受DC的影响不大．当增大时，间隙之间的火花强度增大，温度升高对MRR的影响增大。

数据4，7,8显示了直流变化对两电极获得的SR的影响和参数。数字7显示出的综合影响RT电极(快速工具)“SR”上的直流较小。但随着增加与(有一点影响)，增加“在SR上更占主导地位，而SR在两者的中等值上更少和，哪个是首选。因为低“值允许更少的时间产生火花，这将产生不均匀的火花分布在机加工表面。因此，金属的去除过程受到任意的影响由于较少，通过增加逐渐增加"使火花均匀分布在加工表面。进一步增加的值允许更多的火花时间，增加MRR，导致SR增加很少从最低值。SR最差，其值低于较高的值．数据4，7,8结果表明，SC和镀铜FDM RT电极的表面质量随直流电流的增加而降低[21］．

数据3.，9,10显示了两电极(SC和RT)的TWR的变化和．可见，两电极的TWR随放电电流的增加而增大。固体Cu电极的TWR远大于rt电极的TWR因为它加速了材料从火花产生和增加热流，这反过来有助于磨损的工具。相反，影响(占空比)随占空比的增加，TWR的响应非常缓慢。在电火花加工过程中，TWR是控制加工成本的关键因素。

4.结论

本文的目的是将快速工具3D打印铜涂层聚合物与传统固体铜电火花加工电极在MRR、TWR和sr方面的性能进行比较，从结果中可以得出各种结语。（1)可以为任何复杂的设计/形状部件生产3D打印聚合物的RT电极。3D打印模型聚合物材料表面已用铜金属化至所需厚度，通过电镀将其表面转化为导电电极表面，无需额外准备（2)采用酸性镀铜工艺，在3D打印聚合物电火花电极表面获得所需镀层厚度1 mm，使其在电火花加工应用中具有可行性（3)研究了两种电极在工具钢(淬硬钢)加工过程中的性能，结果表明，RT电极在低TWR条件下具有良好的加工效果（4）从测试结果可以看出，两种工具的MRR几乎都比较接近（5）可以对RT电极进行数学建模，并对其进行有条件的金属化处理，以减少电镀时间和材料、工具成本（6)RT电火花加工电极在电火花加工中通过金属涂层形成所需的腔体，节省了更多的刀具物质(7)直流的影响，，和对SR、TWR和MRR进行联合研究，将各因素调整到不同的水平。直流和已在控制加工特性方面显示出实质性的作用，而对电极和工件的影响最小

在未来，进一步研究的目标应该是在镀液中对各种材料和各种添加剂进行加工，以获得所需工具材料特性的改善，如硬度、表面质量和沉积厚度。复杂形状的RT电极使用的沉积金属量比SC电极用于维持生产成本和时间、沉积物质，并扩大其总体认可系数。采用FDM技术制造的EDM电极应采用先进的方法设计，从而相对减少电镀时间和沉积金属涂层厚度。可使用多个薄镀电极为节省电镀时间，可发现多个顺序渐进式电极具有合适且可行的复杂形状。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

两位作者没有利益冲突。

致谢

作者要感谢Umm Al-Qura大学科学研究系主任支持这项工作，授予代码# 20UQU0028DSR。

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