The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

FP7 - Research for the Benefit of SMEs

Development of a next generation Micro-ECM sinking machine for the Automotive, Aerospace, & medical device sectors.

€1.2 million in Funding  

Dr. David Tormey 

Project Overview 

ObjecUve •  To develop a new generaUon of μECM machine with nanosecond pulsing capability and soWware simulaUon modelling of the process 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

TransnaUonal CollaboraUon 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Partners 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

No  Partner  Type  Country 

1  IT Sligo  RTD/ Co‐Ord  Ireland 

2  Vox‐Power  SME  Ireland 

3  Brunel University  RTD  United Kingdom 

4  CDAMC  RTD  Ireland 

5  Sonplas   SME  Germany 

6  Vrije Universiteit Brussel 

RTD  Belgium 

7  Elsyca  SME  Belgium 

Brunel CDAMC  Sonplas 

Process development + 

Demonstrator 

VUB  Elsyca 

SimulaUon SoWware 

IT Sligo  Vox‐Power 

PSU Power Supply Unit 

µECM Process 

Customizing Process 

ProducUon Machine concept 

Customer 

Partner relaUonships 

Process Advantages 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

•  Reduce the costs per part through •  Shorter cycle Ume •  No tool wear •  Less down Ume (tool replacement)  

•  Improved machining accuracy •  Roundness •  Repeatability  ‐ No need for dressing of electrode •  PosiUoning of cathode 

•  Improved surface quality  •  Roughness (Rt0.1µm) •  Individual hole shape possibiliUes 

AutomoUve fuel injecUon systems 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

             Requirements 

•  Product – e.g. Diesel InjecUon nozzle •  Requirements – Micro Holes  – 100μm diameter – 1 mm thick cross secUon – < 10 second drilling cycle Ume – Shape control (k‐factor control) – Flow tolerance requirements ± 1 % Cpk 1.33 – Costs savings over the EDM process 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Project Workpackages 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

WP No.  Title  Ac7vity  Lead Partner 

WP1  Project Management  MGT  ITSligo 

WP2  Power Supply Development  RTD  VOX‐Power 

WP3  ECM simulaUon soWware  RTD  Elsyca 

WP4  Design, Test & Validate micro‐ECM   RTD  CDAMC 

WP5  Build demonstrator prototype micro‐ECM machine  DEM  Sonplas 

WP6  DisseminaUon‐ExploitaUon‐Knowledge transfer  RTD  Sonplas 

WP2 ‐  Power Supply Development 

•  Typical PSU characteris7cs  Uses a pulsing stage fed through a filter to provide DC 

voltage to a load.  Current PSU technology switches at 200kHz to 1MHz.  Current PSU technology uses silicon Mosfet switches. 

•   uECM applica7on characteris7cs   Requires pulsed voltage without filtering.   Switching frequencies up to 50MHz.   AlternaUve switch technology required. 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Technical challenges 

•  Custom circuit required to generate 50MHz PWM control signal 

•  Power switches must be extremely fast switching <3nS, and must have very low capacitance 

•  Accurate measurement of circuit parameters will be difficult at 50MHz 

•  High frequency pulsed current will require very low circuit parasiUc inductance  

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Power Supply: Requirements 

•  IT Sligo & Vox Power have developed a PSU that: – Provides a width modulated pulse train up to a frequency of 45 MHz 

– Provides a pulse current amplitude up to 20 Amps – Provides process feedback – Communicates with system controller 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Power Supply: ParasiUcs 

•  At 45 MHz normal cabling has significant impedance characterisUcs 

•  Therefore – Traces and cabling must be kept to a minimum – Pulse generaUon must be located as near as possible to the tool 

– Process gap model must be accounted for 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Power Supply: Pulse GeneraUon 

•  Dual stage digital control •  Dead band and synchronizaUon ensure pulse shape and Uming 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Power Supply: Parameter Control 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

•  DigiUzed & analogue parameter feedback •  Adjustable parameter limits 

Assessment of current status 

•  Progress made   Load characterised   Spice SimulaUons completed   Power switch technology idenUfied and evaluated   PWM control circuit designed and verified   uC selected and soWware under development   1st pass prototype hardware •  Issues idenUfied   IniUal tests show that controlling parasiUc elements is extremely 

difficult   Probable that mulUple PCB iteraUons will be required to opUmise.   Delivering clean pulses to the inter electrode gap will require a lot 

of design effort The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

WP3‐ ECM SimulaUon: DL capacity 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

•  Effect of the double layer capacity 

SimulaUon: Tool InsulaUon 

•  Effect of tool insulaUon 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

18 

versus 

AcUve  Insulated 

SimulaUon: Slew Rate 

•  Effect of slew rate 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

19 

toff  ton tslew  tslew 

18 V/ns  

T x 3.1 

0.45 V/ns   0.225 V/ns  

T x 1.7 

T 

SimulaUon: Gap Size 

•  Effect of gap size 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

20 

t/sic/A02E-074E-07-0.001-0.000500.00050.001

t/sif/A02E-074E-0700.00020.00040.0006

WP 4 ‐ Test Bench Design 

Test and Validate Test Bench 

Test Rig results: Electrolytes   

•  Sodium Nitrate (NaNO3) – Best  •  Sodium Chloride (NaCl) – Good 

•  Phosphoric Acid (H3PO4) – Poor 

•  Increased concentraUon increases MRR but reduces localisaUon. 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

Test Rig Results: Machined Hole 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1 

•  Increasing pulse duty cycle increased MRR 

•  Decreasing duty increased localisaUon 

Demonstrator Design  

FiltraUon system 

Electrolyte control system 

µECM- Developed ECM Demonstrator

µECM- Developed ECM Demonstrator

Summary: Work Achieved 

•  Modelling of IEG •  Development of simulaUons and soWware based around model 

•  Development of ECM PSU 

•  Development of test rig and validaUon of model by test 

•  Ongoing design and development of a demonstrator machine 

The research  leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement № 262072, µECM – Micro ECM for SMEs, Research for the benefit of SMEs FP7‐SME‐2010‐1