Fabricación de electrodos EDM micro-texturizados por electroconformado.

Abstract

La ingeniería de superficies ha emergido como un campo interdisciplinario de vital importancia en el mundo contemporáneo, donde la texturización superficial desempeña un papel crítico en la optimización de propiedades funcionales para aplicaciones avanzadas. La texturización superficial, entendida como aquellas modificaciones topográficas a escalas micro o nanométricas, provocan en la superficie de los materiales, alteraciones respecto a sus propiedades y su comportamiento. Estas alteraciones permiten conferir características específicas a los materiales, tales como reducción de la fricción, mejora de la adhesión, control de la humectabilidad. Estas propiedades no son inherentes al material base, sino que surgen de la interacción sinérgica entre sus propiedades y su morfología superficial, lo que subraya la relevancia de diseñar y controlar estratégicamente dichas texturas. En este contexto, surge la necesidad de métodos innovadores para fabricar patrones complejos con alta precisión, combinando versatilidad geométrica, fidelidad de réplica y capacidad de transferencia de textura. En procesos de fabricación no convencionales, como es la electroerosión por penetración (SEDM), los electrodos representan componentes clave cuyo desempeño está intrínsecamente ligado a su arquitectura superficial. La texturización mediante este proceso ofrece numerosas ventajas, no obstante, la fabricación de las micro texturas presentes en los electrodos con precisión, sigue siendo un desafío tecnológico, especialmente cuando se persiguen geometrías complejas y patrones multiescala. La tesis propone una metodología híbrida que integra dos tecnologías complementarias para la producción de estos electrodos micro texturizados. En primer lugar, se emplea fabricación aditiva MSLA (estereolitografía por mascara) para crear pieza modelo con micro texturas complejas. Esta técnica ofrece una gran versatilidad geométrica y alta resolución en el diseño de patrones, permitiendo generar estructuras superficiales detalladas difíciles de lograr con métodos tradicionales. A continuación, mediante electroconformado se deposita metal sobre la pieza modelo previamente obtenida, replicando de forma fiel en cobre las texturas del patrón. El electroconformado posibilita la replicación fidedigna de texturas en metales conductores, garantizando uniformidad y estabilidad estructural. Finalmente, esa cáscara de cobre resultante se refuerza y se transforma en un electrodo texturizado listo para usarse en SEDM, transfiriendo así́ la micro textura al material de la pieza final. Este proceso resulta idó neo para mecanizar geometrías complejas sin contacto mecánico directo, lo que minimiza deformaciones y asegura una transferencia precisa del patrón. De este modo, la combinación de MSLA, electroformado y SEDM aprovecha las ventajas técnicas de cada etapa: flexibilidad de diseño tridimensional, fidelidad de réplica superficial y generación de texturas exactas sobre la pieza de trabajo. Entre los logros principales de esta tesis destacan el rediseño del proceso híbrido completo y su validación experimental. Se diseñaron diversas micro texturas (geométricas y biomiméticas) y se fabricaron los correspondientes electrodos de cobre mediante el procedimiento descrito. El análisis metrológico mostró que las microestructuras fabricadas presentan la precisión y repetibilidad requeridas. Además, en pruebas de SEDM los electrodos produjeron superficies texturizadas con alta fidelidad geométrica, confirmando su eficacia práctica. Cabe señ alar que la propuesta mejora la sostenibilidad del proceso: en línea con estudios previos, se obtuvo electrodos de alto detalle a bajo costo y con una reducción significativa de residuos tóxicos y tiempos de producción respecto a métodos convencionales.

En síntesis, esta investigación aporta un valor añadido notable. Desde el punto de vista científico, amplía el conocimiento sobre procesos híbridos de microfabricación, identificando parámetros críticos en electroconformado, como efecto de la recirculacióń n del electrolito o la distancia ánodo- cátodo y en la fabricación aditiva por MSLA, conseguir el mayor nivel de detalle gracias a protocolos de limpieza que mejoran la reproducibilidad. En el ámbito técnico, se demuestran que los electrodos SEDM por electro conformado son eficientes para crear micro texturas funcionales precisas. Por último, a nivel industrial se ofrece una alternativa más rápida, versátil y sostenible para producir herramientas microtexturizadas con aplicaciones potenciales en sectores de alta tecnología. A través de este enfoque multidisciplinar, se ha pretendido proponer una metodología para la fabricación escalable de electrodos SEDM para que la texturización superficial pueda convertirse en una herramienta de ingeniería precisa y cuantificable.

Surface engineering has emerged as a vital interdisciplinary field in the contemporary world. Surface texturing plays a critical role in optimizing functional properties for advanced applications. Surface texturing involves topographical modifications at the micro or nanometric scale that alter the properties and behavior of materials. These alterations enable specific characteristics to be conferred upon materials, such as reduced friction, improved adhesion, and controlled wettability. These properties are not inherent to the base material but rather arise from the interaction between the material's properties and its surface morphology. This interaction underscores the importance of strategically designing and controlling such textures. Thus, there is a need for innovative methods to fabricate complex patterns with high precision, combining geometric versatility, replication fidelity, and texture transfer capability. In unconventional manufacturing processes such as sinker EDM (SEDM), the performance of the electrodes is intrinsically linked to their surface architecture. Although texturization offers numerous advantages, manufacturing precise microtextures on electrodes remains a technological challenge, particularly when complex geometries and multiscale patterns are involved. The thesis presents a hybrid methodology integrating two complementary technologies to produce these microtextured electrodes. First, MSLA (mask stereolithography) additive manufacturing is used to create model parts with complex microtextures. MSLA offers great geometric versatility and highresolution pattern design, enabling the generation of detailed surface structures that are difficult to achieve with traditional methods. Then, electroforming deposits metal on the previously obtained model part, faithfully replicating the textures of the pattern in copper. Electroforming enables the faithful replication of textures in conductive metals, ensuring uniformity and structural stability. Finally, the resulting copper shell is reinforced and transformed into a textured electrode, ready for use. This process, known as SEDM, transfers the microtexture to the final part material. This process is ideal for machining complex geometries without direct mechanical contact, which minimizes deformation and ensures accurate pattern transfer. The combination of MSLA, electroforming, and SEDM exploits the technical advantages of each stage, including three-dimensional design flexibility, surface replication fidelity, and accurate texture generation on the workpiece. This thesis's main achievements include redesigning the entire hybrid process and experimentally validating it. Several microtextures (geometric and biomimetic) were designed, and the corresponding copper electrodes were fabricated using the described procedure. Metrological analysis showed that the fabricated microstructures have the necessary accuracy and repeatability. Furthermore, SEDM tests confirmed the practical effectiveness of the electrodes by showing that they produced textured surfaces with high geometrical fidelity. It should be noted that this proposal improves the sustainability of the process. In line with previous studies, high-detail electrodes were obtained at a low cost, significantly reducing toxic waste and production time compared to conventional methods. In summary, this research provides significant added value. From a scientific perspective, it expands our understanding of hybrid microfabrication processes by identifying critical parameters in electroforming, such as the effect of electrolyte recirculation and the anode-cathode distance. It also improves our knowledge of additive manufacturing by MSLA, enabling the highest level of detail to be achieved thanks to cleaning protocols that enhance reproducibility. From a technical perspective, it demonstrates the efficiency of creating precise functional microtextures using SEDM electrodes by electroforming. Finally, from an industrial perspective, a faster, more versatile and sustainable alternative has been developed for producing microtextured tools with potential applications in hightech sectors. This multidisciplinary approach intends to propose a scalable fabrication methodology for SEDM electrodes, making surface texturing a precise and quantifiable engineering tool.