A medida que las computadoras y los televisores continúan volviéndose más delgados, la tecnología médica también ha avanzado hasta el punto en que se pueden implantar dispositivos cada vez más miniaturizados en el cuerpo humano, incluso cámaras lo suficientemente pequeñas como para navegar dentro de él.
Las cosas no solo se están volviendo más pequeñas, sino que también se están equipando con más componentes, lo que brinda mayor potencia y funcionalidad. Los microcomponentes ahora tienen una amplia gama de aplicaciones en industrias como la aeroespacial, automotriz, biomédica, electrónica, tecnología de la información, óptica y telecomunicaciones.
El desarrollo de todos estos productos está impulsando una mayor demanda de piezas y ensamblajes más pequeños. Para reducir continuamente los costos, la mayoría de estos componentes en miniatura se producen utilizando moldes. Estas tendencias están planteando nuevos y diversos desafíos a los fabricantes de moldes, desde la utilización de nuevos materiales de grado aeroespacial y recubrimientos especiales para moldes hasta el fresado con herramientas de 0,1 mm de diámetro y el logro de una precisión submicrónica.
Al mismo tiempo, la complejidad intrínseca de los microcomponentes también crea nuevas oportunidades. A medida que la producción de moldes simples y moderadamente complejos se traslada a países con costos laborales más bajos, los fabricantes de moldes en los EE. UU. y Europa pueden mantener su ventaja competitiva recurriendo a tecnologías avanzadas como el micromoldeo y el microfresado.
Desafíos de la fabricación de piezas pequeñas
Uno de los principales desafíos en la producción de moldes para componentes en miniatura es el mecanizado real de estas pequeñas piezas. Tanto el fresado directo de áreas funcionales del molde como la producción de pequeños electrodos de electroerosión plantean exigencias extremadamente altas a la tecnología de fresado.
Los desafíos del microfresado incluyen el uso de herramientas ultrapequeñas, a veces tan pequeñas como 100 micras (μm) o menos, que operan a velocidades de husillo de hasta 150,000 rpm. La rugosidad superficial requerida a menudo alcanza Ra 0,2 micras. Dado que pulir características tan pequeñas generalmente no es práctico, el microfresado debe lograr un acabado sin pulido.
Fresado de un electrodo de electroerosión con una herramienta de 0,1 mm (fotografía cortesía de Cimatron).
Tecnología de microfresado
Para satisfacer las demandas de calidad y precisión sin dejar de ser económicamente viable, toda la cadena de fabricación debe optimizarse y sincronizarse. Los proveedores de máquinas CNC, herramientas, portaherramientas, accesorios y equipos de control de calidad deben proporcionar soluciones competitivas y precisas.
Consideraciones clave en un entorno de microfresado:
1) Herramientas, soportes y husillos
Las herramientas de diámetro pequeño son fundamentales para el microfresado. Dependiendo del tamaño de la pieza de trabajo, las herramientas pueden ser tan pequeñas como 0,1 mm y posiblemente más pequeñas en el futuro. La disponibilidad y el costo de tales herramientas deben considerarse temprano.
Las altas velocidades del husillo son esenciales para herramientas de diámetro pequeño. Por ejemplo, a 10.000 rpm con una herramienta de 0,1 mm, la velocidad de corte (Vc) es de solo 3,3 m/min, lo que es demasiado bajo.
Para husillos que funcionan entre 20.000 y 150.000 rpm, es fundamental lograr un equilibrio dinámico perfecto y una desviación cero utilizando portaherramientas termorretráctiles de alta precisión. De lo contrario, el acabado de la superficie se verá afectado y la vida útil de la herramienta disminuirá significativamente.
2) Fijación e integración de procesos
Las piezas de microfresado generalmente deben mecanizarse en una sola configuración. La combinación de EDM y fresado en operaciones separadas puede provocar una desalineación inaceptable y marcas visibles de herramientas.
3) Máquinas herramienta y entorno de taller
Las máquinas deben ofrecer una precisión y resolución constantes con cuatro decimales (es decir, a nivel de micras).
El microfresado se beneficia enormemente de las capacidades de cinco ejes, lo que permite herramientas más cortas al inclinarse lejos de las superficies. Sin embargo, dado que la precisión actual de cinco ejes a menudo va a la zaga de los sistemas de tres ejes, cualquier implementación de cinco ejes para microfresado debe validarse minuciosamente.
El control de la temperatura y el aislamiento de vibraciones son fundamentales. Incluso un camión pesado que pasa por el taller puede dejar marcas en una superficie si la máquina no está debidamente aislada.
4) Estrategias de fresado
Dependiendo de la geometría, el microfresado puede requerir estrategias más allá de simples reducciones. En muchos casos, el fresado ascendente (en lugar del fresado convencional) es el enfoque preferido.
Las soluciones CAD/CAM para el microfresado de alta precisión en la fabricación de moldes deben ofrecer herramientas 3D fáciles de usar.
Requisitos CAD/CAM
Si bien es intuitivo pensar en las máquinas, los soportes y las herramientas como los principales desafíos para reducir la escala a la microfabricación, el software es igualmente complejo. A primera vista, el software puede parecer más fácil: debería manejar números como 0.0001 tan bien como 1.0 o 10. Pero en realidad, es mucho más matizado.
Características esenciales para los sistemas CAD:
La interpretación fiable y precisa de los modelos es crucial. La reducción de la traducción de datos entre sistemas ayuda a mantener la fidelidad del modelo.
Las tolerancias geométricas ultra estrictas (0,1-0,01 micras) son esenciales para crear líneas de partición o geometría para deslizadores, pasadores eyectores y elevadores. Se deben eliminar los espacios entre las superficies de separación, manteniendo la continuidad C1 y C2.
Soporte para moldes muy pequeños de múltiples cavidades, incluidas piezas de muestra y ensamblajes complejos.
Requisitos del sistema CAM para microfresado:
Soporte para tolerancias estrictas y mecanizado de ultra alta precisión.
Dado que la intervención manual es imposible durante la operación, CAM debe administrar con precisión la carga de viruta en toda la trayectoria de la herramienta.
Uso de modelos matemáticos de alta resolución para mantener la fidelidad geométrica. Las plataformas CAD/CAM integradas son ideales, ya que eliminan los errores de traducción.
Funciones de modelado de alta precisión incorporadas (por ejemplo, recubrimiento de superficie, extensión) con control de tangente adecuado.
Soporte para desviación de trayectoria de herramienta tan baja como 0.1 micrones, crítico cuando se mecanizan características finas en piezas grandes.
Capacidad para definir parámetros de nivel de microfresado, como el uso de una herramienta de 0,1 mm, pasos de 0,005 mm y un radio de herramienta de 0,05 mm. La trayectoria resultante debe tener una precisión de cinco decimales.
Estrategias que combinan desbaste, semiacabado y acabado en una sola operación continua.
Control inteligente de la velocidad de avance basado en el stock restante real para proteger las herramientas frágiles y reducir el tiempo de mecanizado.
Conclusión
Los microsistemas, los micromoldes y el microfresado están surgiendo como tecnologías emocionantes para la producción en masa de piezas en miniatura. Con precisión submicrónica y herramientas de corte casi invisibles a simple vista, este campo de rápido crecimiento presenta muchos desafíos y oportunidades tanto para los fabricantes de moldes como para los proveedores.
Requiere un conocimiento profundo de nuevos materiales, herramientas ultrafinas, recubrimientos especiales y software CAD/CAM avanzado. Sin embargo, la micromolienda también proporciona una ventaja competitiva para los fabricantes que buscan diferenciarse de los competidores de bajo costo.
El desarrollo efectivo en este campo exige la colaboración entre la industria, las instituciones de investigación y los gobiernos, un modelo que ya está en marcha en Europa. La iniciativa CRAFT de la UE, liderada por el Fraunhofer IPT, se ha asociado con proveedores líderes de CAD/CAM, máquinas, herramientas y accesorios CNC para desarrollar materiales, máquinas y herramientas de software de próxima generación para la microfabricación.
Es hora de que la industria de fabricación de herramientas de América del Norte se una y capitalice este segmento de mercado emergente y altamente rentable.
Microfresado de un vistazo
La tecnología de microsistemas se ha convertido en una de las industrias de más rápido crecimiento a nivel mundial. Sectores como los dispositivos biomédicos, la óptica y la microelectrónica (incluidos los componentes móviles y de computadora) están generando una enorme demanda de piezas diminutas y de alta precisión.
Los componentes que requieren microfabricación a menudo miden 5 mm o menos, con demandas de acabado superficial de 0,2 micras o más, y una dureza del material que alcanza 45 HRC o más.
El microfresado es una tecnología de vanguardia diseñada específicamente para fabricar componentes en miniatura y ultraprecisos. Se trata de herramientas de menos de 0,1 mm de diámetro, que logran superficies ultralisas y tolerancias a nivel de micras, mucho más allá de las capacidades del software NC estándar.
Para lograr este nivel de precisión, los fabricantes deben superar desafíos como la deformación de las piezas, el aumento de la complejidad y el uso de herramientas especializadas. Las capacidades clave de microfresado incluyen:
Diámetros de herramienta de 100 μm o menos
Relaciones de aspecto de la herramienta (L/D) de 10 a 100
Velocidades de husillo de 150.000 rpm o más
Tolerancias de mecanizado de 0,1 mm o menos
Corrección de geometría y trayectorias ultraprecisas
El microfresado representa el futuro del fresado de alta velocidad. Las empresas que dominan la fabricación de moldes de microprecisión disfrutarán de una poderosa ventaja competitiva.
