Ist elektrolytisches Polieren für komplexe Innenstrukturen geeignet?

一, Die Grundidee des elektrolytischen Polierens ist ein Nivelliergerät, das nichts berührt.
Durch die anodische Auflösung funktioniert das elektrolytische Polieren. Der Schlüssel zum Erfolg ist der Unterschied in der Stromdichteverteilung. Als Anode wird das Werkstück in Elektrolyt getaucht. Die Mikrovorsprünge auf der Oberfläche lösen sich zuerst auf, weil die Stromdichte höher ist, während sich die Vertiefungen langsamer auflösen, weil die Stromdichte niedriger ist. Die „Schleimhauttheorie“ ist die Grundidee dieses Prozesses. Es heißt, dass Phosphationen im Elektrolyten mit gelösten Metallionen einen dicken Phosphatfilm bilden. An den Vorsprüngen ist der Film dünner und löst sich schneller auf, an der Vertiefung ist er dicker und löst sich langsamer auf. Durch die dynamische Bewegung der Schleimhaut wird die Mikrorauheit der Oberfläche immer wieder ausgeglichen, wodurch sie schließlich glatt wie ein Spiegel wird.
Beispielsweise ist die innere Netzstruktur eines Herz-Kreislauf-Stents aus Edelstahl 316L nur 0,1 mm breit, und herkömmliches mechanisches Polieren kann leicht dazu führen, dass das Netz bricht oder sich verformt. Durch elektrolytisches Polieren kann die Oberfläche des inneren Netzes weniger rau gemacht werden, indem die Stromdichte (15–50 A/dm²) und die Elektrolyttemperatur (60–70 Grad) sehr sorgfältig gesteuert werden. Es kann die Rauheit von Ra3,2 μm auf Ra0,05 μm oder weniger senken, ohne die Größe des Stents zu verändern. Außerdem werden durch die mechanische Bearbeitung entstandene Eigenspannungen beseitigt, wodurch der Stent länger hält und körperverträglicher ist.
2, Die drei wichtigsten technologischen Vorteile der Bearbeitung komplizierter Innenstrukturen
1. Globale Abdeckung ohne Lücken
Elektrolytisches Polieren kann an Stellen funktionieren, an denen nicht genügend Platz vorhanden ist, da nichts berührt wird. Die in der Halbleiterindustrie verwendete Plasmaätzreaktionskammer verfügt über Zehntausende Mikroporen mit einem Durchmesser von 0,5 mm und lange Kanäle mit einer Länge von bis zu 500 mm. Beim herkömmlichen mechanischen Polieren müssen Sie die Hohlräume auseinandernehmen und jedes Teil mit einer speziellen Ausrüstung bearbeiten. Das nimmt viel Zeit in Anspruch und kann leicht schmutzig werden. Mit einem zirkulierenden Elektrolytsystem kann elektrolytisches Polieren durchgeführt werden. Dadurch erreicht der Strom gleichmäßig alle Mikrostrukturoberflächen und poliert sie alle gleichzeitig. Ein Hersteller von Halbleitergeräten hat praktische Daten vorgelegt, die zeigen, dass elektrolytisches Polieren die Oberflächenrauheit innerhalb der Reaktionskammer von Ra1,6 μm auf Ra0,02 μm senken kann. Außerdem kann die Anzahl der Metallpartikel auf weniger als 5 pro Quadratzentimeter gesenkt werden, was den Sauberkeitsstandards für 5-nm-Prozesschips entspricht.
2. Mikrofehler beheben und dafür sorgen, dass die Dinge besser funktionieren
Während des Produktionsprozesses können bei komplexen Innenstrukturen Probleme wie Mikrorisse und Porosität auftreten. Durch elektrolytisches Polieren können Materialien aus fehlerhaften Bereichen durch einen selektiven Auflösungsprozess bevorzugt entfernt werden. Beispielsweise weisen Verbindungselemente aus Titanlegierungen für die Luftfahrt nach der Behandlung mit isostatischem Heißpressen (HIP) immer noch Mikrolöcher von 0,01–0,05 mm im Innengewinde auf. Durch elektrolytisches Polieren wird die Oberfläche der Fäden glatter und gleichzeitig wird die Stromdichte (20–30 A/dm²) angepasst, um das Material an den Rändern der Mikroporen schrittweise aufzulösen und so zum Schließen der Poren beizutragen. Nach der Verarbeitung stieg die Ermüdungsfestigkeit der Verbindungselemente um 35 % und ihre Korrosionsbeständigkeit erfüllte die ASTM G48-Standardklasse A.
3. Gruppenverarbeitung und Kostensenkung
Das elektrolytische Polieren ist eine weitaus effizientere Methode zum Polieren einer großen Anzahl komplexer Teile. Beispielsweise verfügt die Kraftstoffeinspritzdüse im Kraftstoffeinspritzsystem eines Autos über Dutzende Einspritzlöcher mit einem Durchmesser von 0,2 mm und komplizierte Strömungswege im Inneren. Das Polieren eines einzelnen Metallstücks mit herkömmlichem mechanischem Polieren dauert mehr als zwei Stunden und muss mehrmals eingespannt und positioniert werden. Beim elektrolytischen Polieren werden spezielle Geräte verwendet und es können 50 bis 100 Benzineinspritzdüsen gleichzeitig poliert werden. Dadurch verkürzt sich die Bearbeitungszeit für ein einzelnes Werkstück auf 8 Minuten und es wird sichergestellt, dass die Oberflächenrauheit im Gegensatz zum mechanischen Polieren immer gleich ist. Nach Angaben eines bestimmten Unternehmens, das Autoteile herstellt, hat das elektrolytische Polieren die Ausbeute von Einspritzdüsen von 82 % auf 98 % erhöht, wodurch das Unternehmen jährlich über 2 Millionen Yuan an Nacharbeitskosten einspart.
3, Beispiele und Daten aus der Branche, die dies unterstützen
1. Bereich Medizinprodukte: Verbesserung der Biokompatibilität orthopädischer Implantate
Die innere Porositätsstruktur künstlicher Gelenkprothesen muss den Proliferationsanforderungen von Osteozyten genügen und gleichzeitig die Bakterienadhäsion hemmen. Durch sorgfältige Anpassung der Menge an Phosphorsäure und Schwefelsäure im gemischten Elektrolyten (65–75 % Phosphorsäure und 10–15 % Schwefelsäure) kann durch elektrolytisches Polieren ein Passivierungsfilm erzeugt werden, der auf porösen Oberflächen gleichmäßig dick ist. Experimentelle Daten eines multinationalen Medizinunternehmens zeigen, dass elektrolytisches Polieren Hüftgelenkprothesen aus Titanlegierung glatter macht, wobei die inneren Poren von Ra2,5 μm auf Ra0,3 μm ansteigen, die Bakterienadhäsion um 92 % zurückgeht und die postoperative Infektionsrate von 1,2 % auf 0,15 % sinkt.
2. Luft- und Raumfahrt: Verbesserung der Hitzebeständigkeit von Turbinenschaufeln
Der Innendurchmesser des Kühlkanals von Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken beträgt nur 0,8 mm, und herkömmliches mechanisches Polieren kann die Form des Kanals leicht verändern, was die Kühlung weniger effektiv macht. Beim elektrolytischen Polieren wird die Impulsstromtechnologie (30 % Einschaltdauer, Frequenz 1 kHz) verwendet, um die Oberfläche glatter zu machen, ohne den Kanal zu vergrößern. Er kann von Ra1,6 μm bis Ra0,1 μm reichen. Ein von einem bestimmten Flugzeugtriebwerkshersteller durchgeführter Test ergab, dass der Wärmeübertragungskoeffizient der inneren Kühlkanäle der behandelten Schaufeln bei einer hohen Temperatur von 1200 Grad um 18 % anstieg. Der Gesamtwirkungsgrad des Motors stieg um 2,3 %.
4, Probleme und Lösungen in der Technologie
Das elektrolytische Polieren hat bei der Bearbeitung komplizierter Innenstrukturen viele Vorteile, bringt aber dennoch zwei große Probleme mit sich:
Kontrolle der Homogenität des Elektrolyten: Strukturen wie tiefe Sacklöcher können dazu führen, dass der Elektrolyt schlecht fließt, was zu Konzentrationsunterschieden in verschiedenen Bereichen führen kann. Die Antwort besteht darin, ultraschallunterstütztes Rühren zu verwenden, einzigartige Zirkulationssysteme zu schaffen und neue Elektrolyte mit niedriger Viskosität und hoher Leitfähigkeit herzustellen (z. B. durch Zugabe von Ethylenglykol, um den Flüssigkeitsfluss zu verbessern).
Präzise Steuerung der Stromdichte: Die Form des Werkstücks kann die Stromdichteverteilung von Strukturen im Mikrometerbereich leicht verändern. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillingsmodells und die Verwendung der Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Simulation der aktuellen Feldverteilung können das Kathodendesign (z. B. die Verwendung von 3D-gedruckten geformten Kathoden) und die Prozessparameter (z. B. die Verwendung der Gradientenstromdichtetechnologie) verbessert werden, um ein gleichmäßiges Polieren komplexer Strukturen zu erreichen.