Micromecanizado:técnicas, oportunidades y desafíos

El micromecanizado es un gran negocio y crecerá en los próximos años a medida que la industria exija piezas más pequeñas y complejas. Pero, ¿qué significa realmente el término y en qué se diferencia del "macromaquinado" que se realiza todos los días en los talleres de máquinas de todo el mundo? Esto es lo que necesita saber.

Ya sea para la industria médica, electrónica aeroespacial o automotriz, el micromaquinado es un gran negocio. Y está a punto de crecer mucho más, según un informe de noviembre de 2019 de la firma de investigación The Insight Partners.

Con un valor proyectado de 5480 millones de dólares para 2027, se espera que el mercado global de micromecanizado crezca casi el doble de los niveles de 2018 durante los próximos años, según el informe.

Como la mayoría en la industria, Jake Rutherford, ingeniero de investigación y desarrollo de KYOCERA SGS Precision Tools Inc., define el micromecanizado como cualquier pieza o característica de pieza que requiera herramientas de menos de 1/8 de pulgada o 3 milímetros de diámetro.
 

No es nada nuevo, explica. La primera aplicación del micromecanizado fue la relojería, pero a medida que la tecnología ha proporcionado componentes más pequeños y precisos a lo largo de los años, el término ahora cubre una amplia gama de industrias, piezas y materiales. Esto incluye todo tipo de sensores, bombas cardíacas y equipos de control de la respiración, componentes para las industrias aeroespacial y automotriz, accesorios para microscopios electrónicos, dispositivos de microfluidos e incluso muchas de las piezas de su teléfono inteligente.

Los materiales con los que se fabrican estos componentes también abarcan una amplia gama, siendo bastante habituales los aceros inoxidables y las aleaciones de alta temperatura, así como polímeros como el PEEK, el PTFE y el POM.

"Hay una gran cantidad de superposición de materiales entre las industrias, razón por la cual los talleres deben buscar herramientas de micromaquinado que sean específicas del material en lugar de herramientas diseñadas para un mercado o aplicación específicos", dice Rutherford.

Reglas generales de micromaquinado 

Sin embargo, independientemente del tamaño de la pieza de trabajo, los principios generales del mecanizado siguen siendo los mismos. Lo que es diferente es el efecto amplificado que cualquier variable de aplicación menos que óptima tiene sobre el éxito del micromecanizado.

“Todo se vuelve más crítico”, dice Jacob Rak, ingeniero de aplicaciones de KYOCERA SGS. “Tome el runout como un ejemplo. Recomendamos un máximo del 0,1% del diámetro de su herramienta de corte. Sin embargo, cuanto más pequeña es la herramienta, más difícil es lograrlo y mayor es el efecto sobre la vida útil de la herramienta”.

Derek Nading está de acuerdo. Como ingeniero de aplicaciones de M.A. Ford Mfg. Co. Inc., ofrece una regla general para herramientas de más de 1/8" de diámetro:por cada décima de descentramiento, los maquinistas pueden esperar ver una reducción del 10 por ciento en la vida útil de la herramienta. “Sin embargo, cuando se trata de herramientas de corte de tamaño micro, la pérdida de vida útil de la herramienta puede ser aún mayor. Es por eso que recomendamos un sistema de ajuste por contracción, hidráulico o de ajuste a presión de precisión de alta calidad para la mayoría de las aplicaciones de fresado y taladrado, pero especialmente para el micromecanizado”.

Alcanzar la velocidad de superficie adecuada también es fundamental. Cualquier maquinista puede hacer los cálculos, pero hacer funcionar una cortadora de 1/32” a 300 sfm requiere cerca de 40 000 rpm, mucho más que la mayoría de los centros de mecanizado y que todos los tornos son capaces de alcanzar. En estas situaciones, Nading y otros recomiendan una cabeza deslizadora. Las versiones eléctricas, neumáticas y con refrigerante están fácilmente disponibles, aunque Nading se apresura a señalar que la primera de ellas requiere cableado eléctrico, por lo que prohíbe el uso del cambiador automático de herramientas de la máquina.

Altas velocidades de husillo y alimentación limpia de refrigerante

Para las aplicaciones de microperforación alimentadas con refrigerante, Nading señala que se debe usar un sistema de refrigerante de alta presión (HPC) con 500 a 1000 PSI para acomodar los orificios de refrigerante ultrapequeños de la broca. Advierte que la filtración adecuada es crucial.

“Obviamente, los orificios en estos taladros son bastante pequeños, por lo que incluso la más pequeña viruta o contaminación es suficiente para obstruir el trabajo, lo que a menudo resulta en una falla casi instantánea de la herramienta”, dice. “Es por eso que me gusta ver niveles de filtración de 10 micrones o más para un rendimiento óptimo”.

Incluso más que las altas velocidades del husillo y el refrigerante limpio, a Nading le gusta ver máquinas herramienta bien alineadas y de alta precisión diseñadas para microtrabajo. También lo hace Rak de KYOCERA SGS:"Cuando intenta ejecutar un microtaladro o una fresa de extremo en una máquina demasiado grande, la resolución del eje a menudo no es lo suficientemente fina, lo que genera movimientos que pueden ser demasiado bruscos para que la herramienta los soporte", dice. .

Evan Duncanson, especialista en aplicaciones de fresado de EMUGE Corp., notó otro error común de micromecanizado:subalimentar la herramienta.

“La gente nueva en este tipo de trabajo tiende a usar microherramientas pequeñas, pero cuando reduce la velocidad de alimentación a más de 30 000 rpm, termina simplemente empujando el material y la herramienta se rompe”, dice. "Debe utilizar la velocidad de avance recomendada para que una herramienta corte correctamente, independientemente de su tamaño".

Las propias trayectorias también pueden necesitar ajustes. Duncanson sugirió que el corte trocoidal todavía tiene su lugar, pero debido a que las microfresas de mango a menudo se limitan a dos flautas y tienen un alcance relativamente largo, podría ser necesaria una estrategia de fresado diferente.

“Muchas microfresas tienen una longitud de corte muy corta, a menudo solo una o dos veces el diámetro, con un cuello reducido 10 o incluso 20 veces más largo”, dice. “Con estas herramientas, va a realizar un corte axial muy poco profundo y usar una cantidad de paso relativamente grande”.

Por último, los aspirantes a micromaquinistas deben tener un presupuesto de herramientas adecuado. Así como fresar y taladrar con herramientas del tamaño de la mina de un lápiz no es para los débiles de corazón, tampoco lo es el rectificado de tales herramientas. Duncanson y los demás aquí dicen que se necesitan máquinas rectificadoras de alta gama y ruedas especiales de grano fino para lograr los acabados extremadamente suaves y los bordes afilados que se encuentran en sus productos. Aun así, las tasas de desecho aumentan, a veces mucho, a medida que disminuye el tamaño de la herramienta. El resultado es un mayor costo de la herramienta.

“Observe el borde de corte en una fresa de mango estándar de 1/2” bajo un microscopio”, dice. “No importa cuán buena sea la herramienta, verá de dos a tres micrones de microastillado y fracturas en los bordes. Esta es la razón por la cual la mayoría de los fabricantes aplican un ligero pulido a sus herramientas, para suavizar esta fractura y básicamente desgastar previamente la herramienta. Sin embargo, no puede hacer esto cuando la herramienta tiene una décima parte de ese tamaño, al igual que no puede aplicar los mismos recubrimientos de cinco a 10 micrones de espesor. Todo tiene que ser lo más nítido posible”.

Técnicas de micromecanizado

A pesar de toda esta charla sobre herramientas afiladas y equipos de rectificado especiales, gran parte del "micromaquinado" actual no es como se describe aquí. Sí, una buena parte se realiza utilizando herramientas de corte convencionales en tornos CNC y centros de mecanizado, como se mencionó anteriormente. Pero también existe el micromecanizado láser (consulte la barra lateral), la microerosión por electroerosión y un tipo de micromecanizado que se denominaría más exactamente microfabricación.

Existen dos procesos de fabricación de este tipo. El primero de ellos, el micromecanizado a granel, se utiliza normalmente para crear MEMS (sistemas microelectromecánicos) mediante el grabado selectivo de un sustrato de silicio. Si un dispositivo MEMS fuera del tamaño de una casa, la mayor parte estaría bajo tierra, excavada con una serie de productos químicos cáusticos hasta que se construyan la estructura y las propiedades mecánicas deseadas.

El micromecanizado de superficies, por otro lado, construye la "casa" dentro de una capa superficial que se ha depositado encima de una oblea de silicio. Partes de esta capa cristalina, de aproximadamente 25 micrones de espesor, se eliminan selectivamente mediante un proceso de grabado químico similar. Ambos procesos tienen sus pros y sus contras, y ambos se utilizan para producir una amplia gama de dispositivos extremadamente pequeños. Estos incluyen MEMS, sensores de inercia, giroscopios y dispositivos de detección de presión, todos los cuales se pueden encontrar en teléfonos inteligentes, automóviles, aviones y varios productos industriales de alta gama.

¿Qué técnicas de micromecanizado ha encontrado más útiles? Comparta sus pensamientos en los comentarios a continuación.