Man mano che i computer e i televisori continuano a diventare sempre più sottili, anche la tecnologia medica è avanzata al punto che dispositivi sempre più miniaturizzati possono essere impiantati nel corpo umano, anche telecamere abbastanza piccole da navigare al suo interno.
Non solo le cose stanno diventando più piccole, ma sono anche dotate di più componenti, offrendo maggiore potenza e funzionalità. I microcomponenti hanno ora un'ampia gamma di applicazioni in settori come l'aerospaziale, l'automotive, il biomedicale, l'elettronica, la tecnologia dell'informazione, l'ottica e le telecomunicazioni.
Lo sviluppo di tutti questi prodotti sta portando a una maggiore domanda di parti e assemblaggi più piccoli. Per ridurre continuamente i costi, la maggior parte di questi componenti in miniatura viene prodotta utilizzando stampi. Queste tendenze stanno ponendo nuove e diverse sfide ai produttori di stampi, dall'utilizzo di nuovi materiali di grado aerospaziale e rivestimenti speciali per stampi alla fresatura con utensili di 0,1 mm di diametro e al raggiungimento di una precisione submicronica.
Allo stesso tempo, la complessità intrinseca dei microcomponenti crea anche nuove opportunità. Poiché la produzione di stampi semplici e moderatamente complessi si sposta in paesi con costi di manodopera inferiori, i produttori di stampi negli Stati Uniti e in Europa possono mantenere il loro vantaggio competitivo rivolgendosi a tecnologie avanzate come il microstampaggio e la microfresatura.
Sfide della produzione di piccole parti
Una delle sfide principali nella produzione di stampi per componenti in miniatura è l'effettiva lavorazione di queste minuscole parti. Sia la fresatura diretta di aree funzionali dello stampo che la produzione di piccoli elettrodi per elettroerosione pongono requisiti estremamente elevati alla tecnologia di fresatura.
Le sfide della microfresatura includono l'uso di utensili ultra-piccoli, a volte fino a 100 micron (μm) o meno, che operano a velocità del mandrino fino a 150.000 giri/min. La rugosità superficiale richiesta raggiunge spesso Ra 0,2 micron. Poiché la lucidatura di tali piccole caratteristiche è solitamente poco pratica, la microfresatura deve ottenere una finitura priva di lucidatura.
Fresatura di un elettrodo per elettroerosione con un utensile da 0,1 mm (foto per gentile concessione di Cimatron).
Tecnologia di microfresatura
Per soddisfare le esigenze di qualità e precisione, pur rimanendo economicamente sostenibile, l'intera catena di produzione deve essere ottimizzata e sincronizzata. I fornitori di macchine CNC, utensili, portautensili, attrezzature e apparecchiature per il controllo qualità devono fornire soluzioni competitive e precise.
Considerazioni chiave in un ambiente di microfresatura:
1) Utensili, supporti e mandrini
Gli utensili di piccolo diametro sono fondamentali per la microfresatura. A seconda delle dimensioni del pezzo, gli utensili possono essere piccoli fino a 0,1 mm e possibilmente più piccoli in futuro. La disponibilità e il costo di tali strumenti devono essere valutati in anticipo.
Le elevate velocità del mandrino sono essenziali per gli utensili di piccolo diametro. Ad esempio, a 10.000 giri/min con un utensile da 0,1 mm, la velocità di taglio (Vc) è di soli 3,3 m/min, che è decisamente troppo bassa.
Per i mandrini che operano tra 20.000 e 150.000 giri/min, è fondamentale ottenere un perfetto equilibrio dinamico e zero runout utilizzando portautensili termorestringenti ad alta precisione. In caso contrario, la finitura superficiale ne risentirà e la durata dell'utensile diminuirà in modo significativo.
2) Fissaggio e integrazione dei processi
Le parti di microfresatura devono in genere essere lavorate in un'unica configurazione. La combinazione di elettroerosione e fresatura in operazioni separate può portare a disallineamenti inaccettabili e segni visibili dell'utensile.
3) Macchine utensili e ambiente di officina
Le macchine devono offrire una precisione e una risoluzione costanti a quattro cifre decimali (cioè a livello di micron).
La microfresatura trae grande vantaggio dalle capacità a cinque assi, consentendo utensili più corti inclinandosi lontano dalle superfici. Tuttavia, poiché l'attuale precisione a cinque assi è spesso in ritardo rispetto ai sistemi a tre assi, qualsiasi implementazione a cinque assi per la microfresatura deve essere accuratamente convalidata.
Il controllo della temperatura e l'isolamento dalle vibrazioni sono fondamentali. Anche un camion pesante che passa vicino all'officina può lasciare segni su una superficie se la macchina non è adeguatamente isolata.
4) Strategie di fresatura
A seconda della geometria, la microfresatura può richiedere strategie che vanno oltre le semplici riduzioni. In molti casi, la fresatura concorrente (piuttosto che la fresatura convenzionale) è l'approccio preferito.
Le soluzioni CAD/CAM per la microfresatura ad alta precisione nella produzione di stampi devono offrire strumenti 3D facili da usare.
Requisiti CAD/CAM
Sebbene sia intuitivo pensare a macchine, supporti e strumenti come le sfide principali per passare alla microproduzione, il software è altrettanto complesso. A prima vista, il software può sembrare più semplice: dovrebbe gestire numeri come 0,0001 così come 1,0 o 10. Ma in realtà, è molto più sfumato.
Caratteristiche essenziali per i sistemi CAD:
Un'interpretazione affidabile e accurata del modello è fondamentale. La riduzione della conversione dei dati tra i sistemi consente di mantenere la fedeltà del modello.
Le tolleranze geometriche ultra-strette (0,1-0,01 micron) sono essenziali per creare linee di divisione o geometrie per cursori, perni di espulsione e sollevatori. Gli spazi tra le superfici di divisione devono essere eliminati, mantenendo la continuità C1 e C2.
Supporto per stampi multicavità molto piccoli, comprese parti campione e assemblaggi complessi.
Requisiti del sistema CAM per la microfresatura:
Supporto per tolleranze strette e lavorazioni ad altissima precisione.
Poiché l'intervento manuale è impossibile durante il funzionamento, il CAM deve gestire con precisione il carico del truciolo lungo tutto il percorso utensile.
Utilizzo di modelli matematici ad alta risoluzione per mantenere la fedeltà geometrica. Le piattaforme CAD/CAM integrate sono ideali in quanto eliminano gli errori di traduzione.
Funzioni di modellazione integrate ad alta precisione (ad es. tappatura superficiale, estensione) con controllo della tangente appropriato.
Supporto per la deviazione del percorso utensile fino a 0,1 micron, fondamentale per la lavorazione di dettagli di precisione su parti di grandi dimensioni.
Possibilità di definire parametri di livello di microfresatura, ad esempio utilizzando un utensile da 0,1 mm, incrementi di avanzamento di 0,005 mm e raggio utensile di 0,05 mm. Il percorso utensile risultante deve essere preciso con una precisione di cinque cifre decimali.
Strategie che combinano sgrossatura, semifinitura e finitura in un'unica operazione continua.
Controllo intelligente della velocità di avanzamento basato sull'effettivo stock rimanente per proteggere gli utensili fragili e ridurre i tempi di lavorazione.
Conclusione
I microsistemi, i microstampi e la microfresatura stanno emergendo come tecnologie entusiasmanti per la produzione di massa di parti in miniatura. Con una precisione submicronica e utensili da taglio quasi invisibili a occhio nudo, questo settore in rapida crescita presenta molte sfide e opportunità sia per i produttori di stampi che per i fornitori.
Richiede una conoscenza approfondita di nuovi materiali, strumenti ultrafini, rivestimenti speciali e software CAD/CAM avanzati. Tuttavia, la microfresatura offre anche un vantaggio competitivo per i produttori che desiderano differenziarsi dai concorrenti a basso costo.
Uno sviluppo efficace in questo campo richiede la collaborazione tra l'industria, gli istituti di ricerca e i governi, un modello già in atto in Europa. L'iniziativa CRAFT dell'UE, guidata dal Fraunhofer IPT, ha collaborato con i principali fornitori di macchine CAD/CAM, CNC, utensili e attrezzature per sviluppare materiali, macchine e strumenti software di nuova generazione per la microproduzione.
È tempo che l'industria nordamericana della produzione di utensili si unisca e capitalizzi su questo segmento di mercato emergente e altamente redditizio.
Microfresatura in sintesi
La tecnologia dei microsistemi è diventata uno dei settori in più rapida crescita a livello globale. Settori come i dispositivi biomedici, l'ottica e la microelettronica (compresi i componenti mobili e informatici) stanno generando un'enorme domanda di parti minuscole e di alta precisione.
I componenti che richiedono una microproduzione spesso misurano 5 mm o meno, con requisiti di finitura superficiale di 0,2 micron o superiori e una durezza del materiale che raggiunge i 45 HRC o più.
La microfresatura è una tecnologia all'avanguardia progettata specificamente per la produzione di componenti in miniatura e ultraprecisi. Si tratta di utensili di diametro inferiore a 0,1 mm, che consentono di ottenere superfici ultra-lisce e tolleranze a livello di micron, ben oltre le capacità del software NC standard.
Per raggiungere questo livello di precisione, i produttori devono superare sfide come la deformazione delle parti, l'aumento della complessità e l'uso di strumenti specializzati. Le principali funzionalità di microfresatura includono:
Diametri utensile di 100 μm o inferiori
Proporzioni utensile (L/D) da 10 a 100
Velocità del mandrino di 150.000 giri/min o superiore
Tolleranze di lavorazione di 0,1 mm o inferiori
Correzione della geometria e percorsi utensile ultraprecisi
La microfresatura rappresenta il futuro della fresatura ad alta velocità. Le aziende che padroneggiano la produzione di stampi di microprecisione godranno di un potente vantaggio competitivo.
