Micro-mecanizado: Técnicas Avanzadas, Oportunidades de Mercado y Desafíos Emergentes

El micro-mecanizado es un gran negocio y está preparado para crecer en los próximos años a medida que la industria demanda piezas más pequeñas y complejas. Pero, ¿qué significa realmente el término y cómo se diferencia del "macro-mecanizado" que se realiza a diario en talleres de todo el mundo? Aquí tiene lo que necesita saber.

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

Con un valor proyectado de 5.480 millones de dólares para 2027, se espera que el mercado global de micro-mecanizado crezca hasta casi el doble de los niveles de 2018 en los próximos años, según el informe.

Al igual que la mayoría en la industria, Jake Rutherford, ingeniero de investigación y desarrollo en KYOCERA SGS Precision Tools Inc., define el micro-mecanizado como cualquier pieza o característica que requiera herramientas menores a 1/8 de pulgada o 3 milímetros de diámetro.

No es nada nuevo, explica. La primera aplicación del micro-mecanizado fue la relojería, pero a medida que la tecnología ha entregado 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 monitorización respiratoria, componentes para las industrias aeroespacial y automotriz, accesorios para microscopios electrónicos, dispositivos microfluídicos e incluso muchas de las piezas de su smartphone.

Los materiales utilizados para fabricar estos componentes también cubren un amplio rango, siendo bastante comunes los aceros inoxidables y aleaciones de alta temperatura, así como polímeros como PEEK, PTFE y POM.

"Hay una gran superposición de materiales entre industrias, por lo que los talleres deberían buscar herramientas de micro-mecanizado específicas para el material en lugar de herramientas diseñadas para un mercado o aplicación específica", dice Rutherford.

Reglas Prácticas del Micro-mecanizado

Independientemente del tamaño de la pieza, los principios generales del mecanizado siguen siendo los mismos. Lo que cambia es el efecto amplificado que cualquier variable de aplicación menos que óptima tiene en el éxito del micro-mecanizado.

"Todo se vuelve más crítico", dice Jacob Rak, ingeniero de aplicaciones de KYOCERA SGS. "Tomemos la carrera (runout) como ejemplo. Recomendamos un máximo del 0,1% del diámetro de la herramienta de corte. Cuanto más pequeña es la herramienta, más difícil es lograrlo y mayor es el efecto en la vida de la herramienta".

Derek Nading está de acuerdo. Ingeniero de aplicaciones en M.A. Ford Mfg. Co. Inc., ofrece una regla práctica para herramientas mayores a 1/8": por cada décima de carrera, los mecanicos pueden esperar una reducción del 10% en la vida de la herramienta. "Cuando se trata de herramientas de corte de tamaño micro, la pérdida de vida puede ser aún mayor. Por eso recomendamos un sistema de sujeción por contracción de alta calidad, hidráulico o de prensa de precisión para la mayoría de aplicaciones de fresado y taladrado, pero especialmente para micro-mecanizado".

Lograr la velocidad de corte adecuada también es crítica. Cualquier mecanico puede hacer las matemáticas, pero correr una fresa de 1/32" a 300 sfm requiere cerca de 40.000 rpm, mucho más alto de lo que la mayoría de centros de mecanizado y todos los tornos pueden lograr. En estas situaciones, Nading y otros recomiendan un cabezal multiplicador de velocidad (speeder head). Versiones eléctricas, neumáticas y accionadas por refrigerante están disponibles, aunque Nading señala rápidamente que la primera requiere cableado eléctrico, impidiendo el uso del cambiador automático de herramientas de la máquina.

Altas Velocidades de Husillo y Refrigerante Limpio

Para aplicaciones de micro-taladrado con refrigerante interno, Nading indica que se debe usar un sistema de refrigerante a alta presión (HPC) de 500 a 1.000 PSI para acomodar los orificios de refrigerante ultra-pequeños de la broca. Advierte que la filtración adecuada es crucial.

"Obviamente, los orificios en estas brocas son muy pequeños, así que incluso la viruta más pequeña o contaminación basta para tapar el funcionamiento, a menudo resultando en fallo casi instantáneo de la herramienta", dice. "Por eso me gusta ver niveles de filtración de 10 micras o mejor para un rendimiento óptimo".

Aún más que las altas velocidades de husillo y refrigerante limpio, Nading prefiere ver máquinas-herramienta bien alineadas y altamente precisas diseñadas para micro-trabajo. Lo mismo opina Rak de KYOCERA SGS: "Cuando intentas correr una micro-broca o fresa en una máquina demasiado grande, la resolución de los ejes a menudo no es lo suficientemente fina, generando movimientos que pueden ser demasiado bruscos para que la herramienta los soporte".

Evan Duncanson, especialista en aplicaciones de fresado en EMUGE Corp., señaló otro error común en micro-mecanizado: sub-alimentar la herramienta.

"La gente nueva en este tipo de trabajo tiende a mimar las micro-herramientas, pero cuando reduces la velocidad de avance a 30.000 rpm o más, terminas solo empujando el material y la herramienta se rompe", dice. "Necesitas usar la velocidad de avance recomendada para que una herramienta corte correctamente, independientemente de su tamaño".

Las trayectorias de herramienta también pueden necesitar ajuste. Duncanson sugirió que el corte trocoidal sigue teniendo su lugar, pero como las micro-fresas a menudo se limitan a dos filos y tienen un alcance relativamente largo, puede ser necesaria una estrategia de fresado diferente.

"Muchas micro-fresas 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 esa longitud", dice. "Con estas herramientas, vas a tomar un corte axial muy somero y usar un paso lateral (stepover) relativamente grande".

Por último, los aspirantes a micro-mecanicos deben tener un presupuesto de herramientas adecuado. Al igual que el fresado y taladrado con herramientas del tamaño de una mina de lápiz no es para débiles de corazón, tampoco lo es el rectificado de tales herramientas. Duncanson y los demás aquí dicen que se necesitan rectificadoras de alta gama y muelas de grano fino especial para lograr los acabados extremadamente lisos y bordes afilados que se encuentran en sus productos. Aun así, las tasas de desecho aumentan, a veces drásticamente, a medida que el tamaño de la herramienta disminuye. El resultado es un mayor costo de herramienta.

"Mire el filo de corte de una fresa estándar de 1/2" bajo un microscopio", dice. "No importa qué tan buena sea la herramienta, verá de dos a tres micras de micro-astillado y fractura de borde. Por eso la mayoría de fabricantes aplican un ligero redondeo (hone) a sus herramientas, para suavizar esta fractura y básicamente pre-desgastar la herramienta. No puede hacer esto cuando la herramienta es una décima de ese tamaño, sin embargo, al igual que no puede aplicar los mismos recubrimientos de cinco a diez micras de espesor. Todo tiene que ser lo más afilado posible".

Técnicas de Micro-mecanizado

A pesar de toda esta charla sobre herramientas afiladas y equipos de rectificado especiales, gran parte del "micro-mecanizado" actual no es como se describe aquí. Sí, una buena cantidad se realiza usando herramientas de corte convencionales en tornos CNC y centros de mecanizado como se acaba de discutir. Pero también existe el micro-mecanizado láser (ver recuadro), micro-EDM y un tipo de micro-mecanizado que más precisamente se llamaría micro-fabricación.

Existen dos procesos de fabricación de este tipo. El primero, el micro-mecanizado en masa (bulk micromachining), se usa típicamente para crear MEMS (sistemas micro-electro-mecánicos) mediante 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 químicos cáusticos hasta que se construyan la estructura y propiedades mecánicas deseadas.

El micro-mecanizado de superficie (surface micromachining), por otro lado, construye la "casa" dentro de una capa superficial depositada sobre una oblea de silicio. Partes de esta capa cristalina, de aproximadamente 25 micras de espesor, se eliminan selectivamente mediante un proceso de grabado químico similar. Ambos procesos tienen sus pros y contras, y ambos se usan para producir una amplia variedad de dispositivos extremadamente pequeños. Estos incluyen MEMS, sensores inerciales, giroscopios y dispositivos de detección de presión, todos los cuales se encuentran en smartphones, automóviles, aviones y diversos productos industriales de alta gama.

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