Asociación Española de Ingeniería Mecánica

XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

Desarrollo de electrodos EDM a partir de fabricación aditiva y electroconformado A.N. Benítez, F. Ortega, M.D. Monzón, P.M. Hernández, M.D. Marrero Dpto. de Ingeniería Mecánica/Ingeniería de procesos. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria [email protected]

C. Carrión Asociación de Investigación de la Industria del Juguete (AIJU)

Resumen Las tecnologías de fabricación aditiva, incluidas dentro de las denominadas tecnologías de fabricación rápida (Rapid Manufacturing) tienen hoy en día aplicación no solo para desarrollar prototipos formales y funcionales sino también incluso piezas de uso final. Este trabajo centra la investigación en el desarrollo de un procedimiento para la fabricación de electrodos de cobre EDM (para electroerosión por penetración) elaborados mediante electroconformado (electroforming), partiendo de un prototipo realizado por adición de capas (en concreto la tecnología Polyjet de Object). Para ello se han tenido en cuenta una serie de elementos como son: 1. Calidad superficial y precisión del prototipo inicial, 2. Selección de diferentes procedimientos para mejorar el acabado superficial del prototipo y para la metalización del mismo, 3. Implementación del proceso de electroconformado seleccionando y ensayo de los parámetros óptimos de deposición electrolítica, 4. Fabricación y caracterización de probetas electroconformadas de cobre (tensiones internas, dureza, estructura metalográfica), 5. Diseño de nuevos útiles normalizados que sirvan como portaelectrodos electroconformados, 6. Fabricación de casos prácticos y mecanizado mediante electroerosión de una cavidad como inserto de un molde, comprobando mediante escáner la desviación dimensional desde el modelo CAD hasta el electrodo final. Los resultados muestran un excelente comportamiento de los electrodos desarrollados tanto a nivel del uso como herramienta de fabricación como en su precisión dimensional, donde el electroconformado reproduce con elevada exactitud la geometría del prototipo de partida, de tal manera que es el prototipo inicial quien condiciona la precisión final del electrodo. Por otro lado la propuesta de estandarización del portaelectrodo ha permitido que una cáscara electroconformada pueda ser sustituida por otra en cuestión de segundos. La estructura de grano fino obtenida para el cobre depositado lo hace muy competitivo frente a los cobres electrolíticos de uso convencional para este tipo de útiles de electroerosión.

INTRODUCCIÓN La electroerosión por penetración (EDM) es uno de los procesos de mecanizado no convencionales más extendidos en la fabricación de cavidades en moldes y matrices. En general, una parte importante del costo y el tiempo consumidos en estos procesos es la fabricación de electrodos que puede suponer más del 50% de los costes de mecanizado total. En general, el costo y el tiempo dependerán de la complejidad de la geometría y la precisión requerida. En este trabajo de investigación se desarrolla un procedimiento de fabricación de electrodos de cobre, en el que se combinan dos procesos de fabricación aditiva: tecnología de prototipado rápido por fotopolimerización por luz ultravioleta, concretamente la tecnología Polyjet de Objet y por otro lado la tecnología electroconformado (electroforming). El electroconformado es un proceso de electrodeposición que destaca por la gran capacidad de reproducción y elevada precisión, copiando fielmente el master original, mientras que las tecnologías de prototipado por de impresión 3D aportan grandes ventajas a la fabricación desde el punto de vista de diseño y rapidez de producción. El procedimiento estudiado pretende ser una alternativa para reducir tiempos y costes a los sistemas tradicionales de fabricación de electrodos de geometría compleja. Además, el trabajo añade la

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estandarización de útiles para sujeción de los electrodos y en consecuencia reducción de costes de fabricación, así como el estudio de condiciones operativas de electroconformado que pudieran mejorar el comportamiento de los electrodos respecto a los de cobre electrolítico convencionales. A continuación se describen los objetivos específicos marcados para el presente trabajo: 1) Selección de materiales y optimización de los parámetros del proceso de fotopolimerización para conseguir adecuadas propiedades superficiales, mecánicas y eléctricas que permitan su uso como modelo para electroconformado, 2) estudio de la adecuación de dichos materiales a las condiciones del baño de electroconformado (pH, temperatura), 3) validación de varios procedimientos de acabado superficial de los modelos obtenidos según el acabado del molde deseado: mate, brillante, texturizado… 4) estudio de las condiciones del proceso de metalizado de los modelos de resina para hacerlos conductores. Selección de la técnica mas sencilla y que evite perdida apreciable de precisión superficial, 5) selección de las condiciones operativas del electroconformado para la obtención de electrodos: composición del baño electrolítico, aditivos, etc. más adecuado teniendo en cuenta las características mecánicas de la cáscara deseada, 6) caracterización de las propiedades mecánicas, superficiales, y dimensionales de los electrodos obtenidos y 7) fabricación de electrodos con geometrías complejas y fabricación de moldes para su posterior uso en inyección de termoplásticos. DESARROLLO EXPERIMENTAL Selección y diseño de la geometría Inicialmente se han definido los requerimientos geométricos (forma, tamaño, acabado superficial, etc.) para el diseño de las piezas que actuarán como electrodos para la electroerosión de insertos para moldes de inyección. La geometría seleccionada debía ofrecer complicaciones en la fabricación mediante procesos convencionales, además de potenciar las capacidades de la combinación de tecnologías de fabricación aditiva por impresión 3D y electroconformado para reproducir geometrías y acabados superficiale. Dichas características son las siguientes:  Geometrías complejas, preferiblemente diseños orgánicos, con curvas b-spline, que matemáticamente sean muy difíciles de interpretar y compliquen su fabricación mediante procesos convencionales.  Alto nivel de detalle aplicando para ello un texturizado sobre las superficies diseñadas.  Elevado requerimiento para acabado de superficie, ya que la electrodeposición copiará fielmente el prototipo generado.  Buena precisión (entre 0,1 y 0,2 mm) con respecto al diseño CAD original. Finalmente se han escogido dos modelos: el primero, con forma de lagarto, posee una geometría orgánica con una textura que necesita de una buena reproducción, para emular la textura de la piel del animal. Si todo el proceso es correcto, las piezas de inyección obtenidas serán capaces de plasmar esa textura en su superficie, por lo que se habrá conseguido una alta reproducibilidad del modelo original; en el caso del segundo modelo, un coche, las formas geométricas que lo componen, con aristas muy marcadas, esquinas, variaciones bruscas de pendientes, así como su acabado liso y sin rugosidad a la vista, plantea otros retos, como la búsqueda de un perfecto acabado superficial, sin imperfecciones, así como la reproducción de todas las líneas y marcas de contorno de que presentaba el modelo original, lo que le da forma de vehículo y le añade detalles del diseño al mismo. Cabe destacar que se trata de un modelo de aplicación industrial para inyección en Zamak y teniendo en cuenta que se trata de una pieza con contrasalidas, el molde para inyección requiere de su fabricación en cuatro partes por métodos convencionales.

Fig. 1. Diseño del modelo 3D con FreeForm Concept.

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Con todas las condiciones y requerimientos evaluados, se realiza el diseño 3D del primer modelo por medio de un sistema de diseño asistido por ordenador (CAD). En este caso el software utilizado ha sido el FreeForm, mostrado en la Fig. (1). Gracias a este programa se ha logrado dar textura controlada a la superficie del 3D obtenido, simulando la piel de una lagartija. En el diseño final la zona útil del electrodo está incluida en un marco rectangular para permitir la adaptabilidad del electrodo al portaherramientas que se describe en la página 6 de este trabajo, como propuesta de estandarización del diseño de los electrodos electroconformados. Fabricación y estudio del prototipo Para la fabricación del prototipo por la tecnología Polyjet, se han empleado 8 cabezales con 8 inyectores nuevos sobre la máquina para conseguir una mejor definición y acabado. Estos cabezales depositan resina fotopolimerizable en capas de 16 micras, que resulta inmediatamente curada por la acción de una potente luz ultravioleta. El tiempo de fabricación estimado fue de 5 horas por master, fabricándose varios masters en diferentes materiales (VeroBlue y VeroWhite) para observar si las conclusiones iniciales eran las correctas. Se realizó una pequeña prueba de esfuerzo que provocó que la pieza fabricada por VeroWhite se rompiera, por lo que se ha decidido finalmente por la fabricación en VeroBlue de varios modelos del diseño variando las características de fabricación: posición, factor de detalle, barrido de los cabezales,…

Fig. 2. Prototipos fabricados por tecnología Polyjet (Materiales VeroBlue y VeroWhite) Teniendo en cuenta que el aspecto más importante a considerar es el buen acabado del modelo dado que una de las principales ventajas del proceso de electroconformado es la alta reproducibilidad de la superficie del modelo en la cáscara, es importante que éste cuente con unos valores acordes con las características buscadas en el inserto. En el proceso de fabricación, para mejorar el nivel de detalle del prototipo, se ha introducido la variable de fabricación Full Glossy en una de las piezas. Este parámetro lo que hace es que en las caras superiores no aporta gel de soporte, de forma que se consigue mejorar el brillo superficial de la pieza. En cuanto a la caracterización de los prototipos, se han estudiado principalmente las propiedades superficiales y dimensionales, comparando diferentes cotas de la pieza diseñada en CAD con el master fabricada por Objet. Para la medición del prototipo se empleó el sistema sin contacto de captación de datos por luz blanca de 4DDINAMICS. Metalización del prototipo Para la metalización del prototipo se emplea una pintura de plata de aplicación directa. Este tipo de pinturas suelen contener entre un 45-60% de plata y su resistividad superficial oscila entre 0,02-0,04 /cuadrado. Además, el secado de la misma tarda unos 10 minutos a una temperatura de 20ºC, por lo que es bastante rápida. En el desarrollo del proyecto se ha optado por esta última opción, dado que, por un lado, permite hacer conductoras sólo aquellas partes de la pieza que interesan sean sometidas al proceso de electroconformado, por otro lado, es de fácil aplicación y, finalmente, permite una continuidad total en la conductividad de la pieza, sin posibles interrupciones que provoquen el aislamiento eléctrico de alguna parte de la superficie del modelo. Condiciones operativas del proceso de electroconformado Se ha realizado un estudio teórico de los diferentes tipos de baños electrolíticos existentes en el mercado aptos para la deposición de cobre: baños alcalinos (cianurados y no cianurados), baños medianamente alcalinos (piro-

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fosfato) y baños ácidos (sulfatos y fluoboratos). El objetivo del estudio ha sido escoger el baño que ofrezca mejores prestaciones para la aplicación requerida a partir de las características descritas en la bibliografía consultada en cuanto a parámetros de control y especialmente, en las características del depósito obtenido. De la comparativa se concluye que, para el propósito que se pretende conseguir con este trabajo de investigación, los baños ácidos de cobre resultan ser los más apropiados, ya que su coste es bajo, el control de su composición sencillo, sus eficiencias altas y sus residuos fáciles de controlar. De entre las dos variantes existentes de este tipo de soluciones electrolíticas, sulfato y fluoborato, se ha optado por el sulfato de cobre debido a su menor coste, la existencia de mayor número de aditivos que pueden ser empleados y la mayor facilidad de control del baño y de sus residuos. Además de las sustancias anteriormente mencionadas se han añadido al baño electrolítico tres tipos de aditivos orgánicos: un nivelante, un abrillantador principal y un abrillantador secundario o transportador. Estos aditivos mejoran las características finales del electrodepósito. En lo que se refiere a otros parámetros de operación, cabe destacar que se ha empleado, para la agitación del baño, una combinación de sistemas mecánico y por aire. Por otra parte la temperatura de trabajo ha estado dentro del margen recomendado para estas soluciones, entre 20 y 35ºC. El resumen de condiciones operativas empleadas para la fabricación de las cáscaras electroconformadas se muestran en la Tabla (1). Tabla 1. Parámetros operativos de la solución ácida de cobre empleada. Parámetros operativos del baño ácido de sulfato de cobre usado en Electroform Densidad de corriente catódica 1-6 A/dm2 Densidad de corriente anódica

0,5-2,5 A/dm2

Temperatura

20-35ºC

Tensión

1,5-6 V

Agitación

Enérgica por aire y catódica horizontal

Bolsas anódicas

Polipropileno

Ánodos

Cobre fosforoso (0,02-0,06% P)

Filtración

Continua

Caracterización de las cáscaras electroconformadas La caracterización de las electroformas obtenidas bajo las condiciones operativas descritas con anterioridad se ha centrado en el estudio de tensiones internas, dureza y análisis de estructura metalográfica. En el presente trabajo se ha desarrollado el análisis de las tensiones internas aplicando una metodología experimental que consiste en realizar una electrodeposición sobre una cara de una banda delgada del metal base hasta obtener el espesor deseado y medir la fuerza que provocaba la flexión de dicha banda. El radio de curvatura obtenido en la banda se usaba para calcular las tensiones internas usando la ecuación de Stoney. Para validar la ecuación de Stoney se modelizó el testigo desde un punto de vista elástico, utilizando para ello el método de los elementos finitos considerando el testigo tanto con geometría recta como con geometría curva. Fig. 3. Gráfica de tensiones internas en función de la densidad de corriente.

Tensión, MPa

200,0 100,0 0,0 -100,0

0

1

2

3

4

5

-200,0 -300,0 2

Densidad de corriente, A/dm Stoney

MEF recto

MEF curvo

6

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Se observa en la Fig. (3) cómo el método de medición de tensiones propuesto y el procedimiento seguido para su cálculo está acorde con el método de elementos finitos basado en e modelado con testigo recto. Las tensiones internas están dentro de un rango aceptable para la aplicación recurrida para las cáscaras electrconformadas. Los ensayos de microdureza se llevaron a cabo con un Microdurómetro HX-1000-TM. Las probetas fueron ensayadas según el método Vickers con cargas de 100 gramos aplicadas durante 15 segundos. Se ha estudiado la influencia de la densidad de corriente, analizando los depósitos a 1 y 5 A/dm2. También se analizó la influencia que la presencia o ausencia de los aditivos tenían sobre los valores de dureza, así como el uso o no de filtración en el sistema. Como se muestra en la Fig. (4) se alcanzan valores de 105,85HV, mientras que a densidades de 5 A/dm2 y con filtración de baño se superan los 140HV. Se puede concluir que para el rango de valores de densidad de corriente estudiado, con aditivos apropiados, y haciendo que el sistema funcione con una filtración óptima, se obtienen electroformas de cobre con durezas apropiadas para su uso como electrodo de electroerosión por penetración.

140 120

105,87

HV100

100 80

58,75

60 40 20 0 Deposición sin aditivos

Deposición con aditivos

Fig. 4. Dureza Vickers de cáscaras electroconformadas a 1 A/dm2 El procedimiento seguido en el análisis metalográfico de las series ensayadas consta de los siguientes pasos: Corte del área de muestreo, empastillado de la muestra, pulido ataque químico y la observación microscópica en un microscopio metalográfico de la marca Olympus Japan, modelo PME3-ADL 3.3x/10x. En el análisis metalográfico se han empleado distintas muestras que pertenecían a cáscaras obtenidas en distintos ensayos, analizando la relación con las variables: densidad de corriente, aditivos y filtración del baño.

  Fig. 5. Depósito a 5 A/dm2 con aditivo y filtración. Sección longitudinal. (x600). Del estudio metalográfico se concluye que el tamaño de grano se reduce considerablemente con el empleo de aditivos y filtración, pasando de estructura columnar a estructura de grano fino, con la consiguiente mejora en las propiedades mecánicas, como quedó reflejado en el apartado de dureza anterior. En definitiva, el análisis metalográfico realizado sobre las cáscaras electroconformadas permite afirmar, en función de su estructura, que éstas, a falta de realizar los ensayos en máquina, son adecuadas para su uso como electrodo EDM. Diseño de portaelectrodos normalizado La fabricación de electrodos electroconformados presenta la dificultad de posicionar y referenciar la geometría obtenida, en forma de cáscara, con respecto a los ejes de actuación de la máquina de electroerosión (EDM). Para

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solventar esta circunstancia, se plantea el diseño de un marco-soporte para sostener en una posición específica la cáscara electroconformada, que define la geometría del electrodo, formando cáscara y marco un único conjunto. La construcción de este útil garantiza un ajuste adecuado de la electroforma, de tal manera que las caras exteriores del marco sirvan como planos de referencia para alinear el electrodo. La parte interior de este útil, fabricado en acero o aluminio, contará con una cajera (70 x 90 mm) para alojar la electroforma; la cual sobresaldrá del plano de referencia inferior a través de un hueco rectangular (50 x 70 mm) limitado por un pequeño escalón. Se propone una estandarización del diseño de los electrodos electroconformados para permitir su adaptabilidad al portaherramientas anteriormente descrito, estableciendo una geometría base para su diseño. Esta geometría, condicionada por la forma y dimensiones del portaherramientas y el proceso de electroconformado, consta de tres partes bien diferenciadas: 1) Zona de soporte y ajuste vertical del electrodo, 2) zona de ajuste lateral y plano z de referencia y 3) zona útil del electrodo.

Fig. 6. a. Geometría base de electrodo electroconformado b. Portaelectrodos fabricado Como se aprecia en la Fig. (6) en la zona de acoplamiento a la máquina de electroerosión se mantiene el elemento estándar de sujeción. Mecanizado por electroerosión En esta etapa se han mecanizado por electroerosión las diferentes cavidades de los moldes de inyección de los diferentes modelos empleados. En la validación se emplearon dos electrodos: el electrodo fabricado a partir de la geometría orgánica que fue objeto de diseño y estudio en las primeras etapas de este trabajo (electrodo lagarto) y una geometría diseñada especialmente para llevar a cabo la validación industrial en esta etapa y la próxima etapa de inyección (electrodo coche). Tabla 2. Parámetros empleados en la electroerosión. Lagarto

VDI 29

VDI 14

Coche

VDI 28

VDI 20

Criterio

3

3

Criterio

3

3

Intensidad

5

0

Intensidad

5

1

Voltaje

200

200

Voltaje

200

200

Tiempo de impulso

50

22

Tiempo de impulso

25

3,2

Tiempo de pausa

13

1,6

Tiempo de pausa

6.4

3,2

Nivel de seguridad

2

3,2

Nivel de seguridad

2

2

Condensadores

0

2

Condensadores

0

0

Servo

30

1

Servo

30

30

Tiempo de retroceso

0,2

65

Tiempo de retroceso

0,2

0,2

Tiempo de bajada

0,8

0,2

Tiempo de bajada

0,8

0,4

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Las pruebas se han realizado en aluminio en la máquina de electroerosión modelo DB300 de Ona. En ambos casos se selecciona en la máquina el criterio de mínimo desgaste del electrodo. En la siguiente Tabla (2)se detallan las estrategias seguidas en la electroerosión de ambas cavidades. RESULTADOS A continuación se exponen y analizan los resultados obtenidos en la fase de fabricación del electrodo, electroerosión de la cavidad y comportamiento del electrodo. En el caso del lagarto, en la fase fabricación por electroconformado tuvo un gran resultado obteniéndose una cáscara de cobre de espesor bastante uniforme y sin defectos de discontinuidad en las zonas de mayor riesgo, esto es, partes estrechas y de profundidad como los dedos y la parte final de la cola. El electrodo muestra un buen comportamiento durante la electroerosión, sin apreciarse daños en las zonas delicadas al finalizar la misma. En cuanto a la cavidad, el proceso ha sido capaz de reproducir la textura diseñada en el CAD original, como se aprecia en la Fig. (7b).

Fig. 7. a. Electrodo 1 integrado en portaelectrodos b. Detalle de textura en la cavidad A continuación se muestran las imágenes del resultado de la electroerosión del modelo 2, así como el estado final del electrodo. Como puede observarse se ha conseguido reproducir los detalles del modelo original con bastante fidelidad y buen acabado superficial, incluso aquellos detalles que presentaban contras al modelo original, como son los faros o las ventanas. El electrodo ha presentado un buen comportamiento durante el mecanizado y mantiene la integridad, dato importante si se tiene en cuenta que el volumen de metal eliminado es considerablemente mayor que en la prueba anterior.

Fig. 8. a. Electrodo 2 integrado en portaelectrodos b. Detalle de la cavidad Seguidamente se presentan los resultados de las mediciones por captación de datos por luz blanca. El interés radica en comparar las desviaciones dimensionales obtenidas desde el CAD original, el prototipo fabricado en Objet, el electrodo final obtenido y su erosión aplicada sobre un inserto preparado para el proceso de inyección. En el caso del lagarto, las comparativas de las Fig (9) (10) y (11) muestran en verde todas las superficies que se encuentran dentro del margen dimensional de ± 0,1 mm. En la Fig. (11) se muestran las desviaciones del electrodo con respecto al diseño Original.

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Figura 9.Desviación Objet – CAD

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Figura 10. Desviación del electrodo - CAD

Figura 11. Desviación cavidad erosionada – CAD La Tabla (3) muestra el resumen de desviaciones dimensionales medias del modelo 1: Lagarto. Tabla 3. Resumen de desviaciones dimensionales medias. MODELO CAD

MODELO OBJET

ELECTRODO

INSERTO

Lagarto

± 0,15 mm

±0,2 mm

±0,25 mm

Cabe decir que el electrodo del coche sufrió un accidente que hundió el techo del coche provocando la zona de desviación marcada en las capturas de pantalla anteriores y que desvirtúan el resultado de desviación dimensional en las zonas próximas que han podido sufrir cierta deformación. A pesar de ello, los resultados para la cavidad final erosionada son buenos, como muestra la Fig. (13).

Figura 12. Desviación del electrodo - CAD

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Figura 13. Desviación cavidad erosionada – CAD CONCLUSIONES Los resultados muestran un excelente comportamiento de los electrodos desarrollados tanto a nivel del uso como herramienta de fabricación como en su precisión dimensional, donde el electroconformado reproduce con elevada exactitud la geometría del prototipo de partida, de tal manera que es el prototipo inicial quien condiciona la precisión final del electrodo. Tras los análisis realizados con diversos materiales de la tecnología Objet se concluye que todos ellos son susceptibles de ser empleados en el procedimiento estudiado. Se aconseja el uso de aquellos que sean rígidos, para asegurar la geometría final de la pieza. Este tipo de resinas fotopolimerizables muestran una gran buena estabilidad dimensional y resistencia a ataques químicos al ser introducidas en el baño ácido de Sulfato de Cobre durante el electroconformado. El baño electrolítico de sulfato de cobre ácido aporta a la electroforma obtenida propiedades que la hacen perfectamente útil para el proceso de electroerosión. En especial hay que destacar la estructura de grano fino que puede obtenerse con este baño electrolítico, así como la reducción en las tensiones internas que pueden generarse. Además, es de bajo coste y de sencillo control químico. Por otra parte, respecto a las condiciones operativas, se aconseja trabajar con filtración continua del baño y con intensidades de corriente bajas, que si bien ralentizan el proceso de electroconformado, reducen la presencia de crecimiento nodular y de tensiones internas. La estructura de grano fino obtenida para el cobre depositado lo hace muy competitivo frente a los cobres electrolíticos de uso convencional. Por último, se valora el uso de portaelectrodos estándar como los diseñados en este proyecto para facilitar el acoplamiento en la máquina de electroerosión y posicionamiento del electrodo. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia e Innovación la financiación de este trabajo que forma parte del proyecto Electroform con referencia CIT-420000-2008-25, dentro del Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica 2008-2011 y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). REFERENCIAS [1] M. Monzón et al. Validation of electrical discharge machining electrodes (EDM) made with rapid tooling technologies, Journal of Materials Processing Technology. 196 (2008), Pages 109-114. [2] A.E.W. Rennie et al. Electroforming of rapid prototyping mandrels for electro-discharge machining electrodes / Journal of Materials Processing Technology 110 (2001) 186±196. [3] C. Y. Hsu & D. Y. Chen & M. Y. Lai & G. J. Tzou EDM electrode manufacturing using RP combining electroless plating with electroforming. Int J Adv Manuf Technol (2008) 38:915–924. [4] William H. Safranek. The properties of Electrodeposited Metals and Alloys. 2nd Edition. Orlando 1986. ISBN 0-936569-00-X.