Kadangi kompiuteriai ir televizoriai ir toliau plonėja, medicinos technologijos taip pat pažengė į priekį iki tokio lygio, kad į žmogaus kūną gali būti implantuojami vis labiau miniatiūriniai prietaisai – net pakankamai mažos kameros, kad jame būtų galima naršyti.
Daiktai ne tik mažėja, bet ir aprūpinami daugiau komponentų, užtikrinančių didesnę galią ir funkcionalumą. Mikrokomponentai dabar yra plačiai pritaikomi tokiose pramonės šakose kaip aviacija, automobiliai, biomedicina, elektronika, informacinės technologijos, optika ir telekomunikacijos.
Visų šių produktų kūrimas lemia didesnius mažesnių dalių ir mazgų reikalavimus. Siekiant nuolat mažinti išlaidas, dauguma šių miniatiūrinių komponentų gaminami naudojant formas. Šios tendencijos formų gamintojams kelia naujų ir įvairių iššūkių – nuo naujų aviacijos ir kosmoso klasės medžiagų ir specialių formų dangų naudojimo iki frezavimo 0,1 mm skersmens įrankiais ir submikronų tikslumo.
Tuo pačiu metu mikrokomponentų sudėtingumas taip pat atveria naujų galimybių. Kadangi paprastų ir vidutiniškai sudėtingų formų gamyba persikelia į šalis, kuriose darbo sąnaudos yra mažesnės, formų gamintojai JAV ir Europoje gali išlaikyti savo konkurencinį pranašumą kreipdamiesi į pažangias technologijas, tokias kaip mikroliejimas ir mikrofrezavimas.
Mažų dalių gamybos iššūkiai
Vienas iš pagrindinių iššūkių gaminant miniatiūrinių komponentų formas yra faktinis šių mažų dalių apdirbimas. Tiek tiesioginis funkcinių formų sričių frezavimas, tiek mažų EDM elektrodų gamyba kelia itin aukštus reikalavimus frezavimo technologijai.
Mikro frezavimo iššūkiai apima itin mažų įrankių, kartais net 100 mikronų (μm) ar mažiau, naudojimą, veikiančius veleno greičiu iki 150 000 aps./min. Reikalingas paviršiaus šiurkštumas dažnai siekia Ra 0,2 mikrono. Kadangi tokių mažų savybių poliravimas paprastai yra nepraktiškas, mikrofrezavimas turi būti be poliravimo.
EDM elektrodo frezavimas 0,1 mm įrankiu (nuotrauka iš Cimatron).
Mikro frezavimo technologija
Norint patenkinti kokybės ir tikslumo reikalavimus ir išlikti ekonomiškai perspektyviems, visa gamybos grandinė turi būti optimizuota ir sinchronizuota. CNC staklių, įrankių, įrankių laikiklių, armatūros ir kokybės kontrolės įrangos tiekėjai turi pateikti konkurencingus ir tikslius sprendimus.
Pagrindiniai aspektai mikro frezavimo aplinkoje:
1) Įrankiai, laikikliai ir velenai
Mažo skersmens įrankiai yra labai svarbūs mikrofrezavimui. Priklausomai nuo ruošinio dydžio, įrankiai gali būti iki 0,1 mm, o ateityje gali būti mažesni. Tokių įrankių prieinamumas ir kaina turi būti apsvarstyti anksti.
Didelis veleno greitis yra būtinas mažo skersmens įrankiams. Pavyzdžiui, esant 10 000 aps./min. greičiui, naudojant 0,1 mm įrankį, pjovimo greitis (Vc) yra tik 3,3 m/min.
Velenams, veikiantiems nuo 20 000 iki 150 000 aps./min., labai svarbu pasiekti tobulą dinaminę pusiausvyrą ir nulinį nutekėjimą, naudojant didelio tikslumo termiškai susitraukiančius įrankių laikiklius. Priešingu atveju nukentės paviršiaus apdaila, o įrankio tarnavimo laikas žymiai sumažės.
2) Tvirtinimas ir procesų integravimas
Mikro frezavimo dalys paprastai turėtų būti apdirbamos vienoje sąrankoje. Derinant EDM ir frezavimą atskiromis operacijomis, gali atsirasti nepriimtinų nesutapimų ir matomų įrankių žymių.
3) Staklės ir dirbtuvių aplinka
Mašinos turi užtikrinti pastovų tikslumą ir skiriamąją gebą iki keturių skaičių po kablelio (t. y. mikronų lygio).
Mikrofrezavimui labai naudingos penkių ašių galimybės, leidžiančios trumpesnius įrankius pakreipti nuo paviršių. Tačiau kadangi dabartinis penkių ašių tikslumas dažnai atsilieka nuo trijų ašių sistemų, bet koks penkių ašių mikrofrezavimo įgyvendinimas turi būti kruopščiai patvirtintas.
Temperatūros kontrolė ir vibracijos izoliacija yra labai svarbios. Net sunkiasvoris sunkvežimis, važiuojantis pro dirbtuves, gali palikti žymes ant paviršiaus, jei mašina nėra tinkamai izoliuota.
4) Frezavimo strategijos
Priklausomai nuo geometrijos, mikrofrezavimui gali prireikti strategijų, neapsiribojančių paprastu mastelio mažinimu. Daugeliu atvejų pirmenybė teikiama lipimo frezavimui (o ne įprastam frezavimui).
CAD/CAM sprendimai, skirti didelio tikslumo mikrofrezavimui formų gamyboje, turi pasiūlyti lengvai naudojamus 3D įrankius.
CAD/CAM reikalavimai
Nors intuityviai galvoti apie mašinas, laikiklius ir įrankius kaip pagrindinius iššūkius pereinant prie mikrogamybos, programinė įranga yra tokia pat sudėtinga. Iš pirmo žvilgsnio programinė įranga gali atrodyti lengvesnė – ji turėtų apdoroti tokius skaičius kaip 0,0001 taip pat gerai, kaip ir 1,0 ar 10. Tačiau iš tikrųjų tai daug labiau niuansuota.
Pagrindinės CAD sistemų savybės:
Patikimas ir tikslus modelio interpretavimas yra labai svarbus. Duomenų vertimo tarp sistemų sumažinimas padeda išlaikyti modelio tikslumą.
Itin griežti geometriniai nuokrypiai (0,1–0,01 mikrono) yra būtini kuriant slankiklių, išmetimo kaiščių ir keltuvų atsiskyrimo linijas arba geometriją. Tarpai tarp atsiskyrimo paviršių turi būti pašalinti, išlaikant C1 ir C2 tęstinumą.
Labai mažų, kelių ertmių formų, įskaitant pavyzdines dalis ir sudėtingus mazgus, palaikymas.
CAM sistemos reikalavimai mikrofrezavimui:
Palaiko griežtus nuokrypius ir itin tikslų apdirbimą.
Kadangi rankinis įsikišimas yra neįmanomas eksploatacijos metu, CAM turi tiksliai valdyti lusto apkrovą visame įrankio kelyje.
Didelės raiškos matematinių modelių naudojimas geometriniam tikslumui išlaikyti. Integruotos CAD/CAM platformos yra idealios, nes pašalina vertimo klaidas.
Integruotos didelio tikslumo modeliavimo funkcijos (pvz., paviršiaus dangtelis, išplėtimas) su atitinkamu liestinės valdymu.
Įrankio kelio nuokrypio palaikymas iki 0,1 mikrono – labai svarbus apdirbant smulkias detales didelėse dalyse.
Galimybė apibrėžti mikrofrezavimo lygio parametrus, pvz., naudojant 0,1 mm įrankį, 0,005 mm pakopas ir 0,05 mm įrankio spindulį. Gautas įrankio kelias turi būti tikslus iki penkių skaičių po kablelio.
Strategijos, apjungiančios grublėjimą, pusapdailę ir apdailą vienoje nepertraukiamoje operacijoje.
Išmanus padavimo greičio valdymas, pagrįstas faktinėmis likusiomis atsargomis, siekiant apsaugoti trapius įrankius ir sutrumpinti apdirbimo laiką.
Išvada
Mikrosistemos, mikroformos ir mikro frezavimas tampa įdomiomis miniatiūrinių dalių masinės gamybos technologijomis. Dėl submikronų tikslumo ir plika akimi beveik nematomų pjovimo įrankių ši sparčiai auganti sritis kelia daug iššūkių ir galimybių formų gamintojams ir tiekėjams.
Tam reikia išsamių žinių apie naujas medžiagas, itin smulkius įrankius, specialias dangas ir pažangią CAD/CAM programinę įrangą. Tačiau mikro frezavimas taip pat suteikia konkurencinį pranašumą gamintojams, norintiems išsiskirti iš pigių konkurentų.
Veiksmingam šios srities vystymuisi reikalingas pramonės, mokslinių tyrimų institucijų ir vyriausybių bendradarbiavimas – toks modelis jau taikomas Europoje. ES iniciatyva CRAFT, kuriai vadovauja Fraunhofer IPT, bendradarbiauja su pirmaujančiais CAD/CAM, CNC staklių, įrankių ir armatūros tiekėjais, kad sukurtų naujos kartos medžiagas, mašinas ir programinės įrangos įrankius mikrogamybai.
Atėjo laikas Šiaurės Amerikos įrankių gamybos pramonei prisijungti ir pasinaudoti šiuo besiformuojančiu ir labai pelningu rinkos segmentu.
Mikro frezavimas iš pirmo žvilgsnio
Mikrosistemų technologija tapo viena sparčiausiai augančių pramonės šakų visame pasaulyje. Tokie sektoriai kaip biomedicinos prietaisai, optika ir mikroelektronika (įskaitant mobiliuosius ir kompiuterinius komponentus) sukuria didžiulę mažų, didelio tikslumo dalių paklausą.
Komponentai, kuriems reikalinga mikrogamyba, dažnai yra 5 mm ar mažesni, paviršiaus apdailos poreikis yra 0,2 mikrono ar didesnis, o medžiagos kietumas siekia 45 HRC ar daugiau.
Mikrofrezavimas yra pažangiausia technologija, sukurta specialiai tokiems miniatiūriniams ir itin tiksliems komponentams gaminti. Tai apima mažesnius nei 0,1 mm skersmens įrankius, pasiekiančius itin lygų paviršių ir mikronų lygio nuokrypius – gerokai viršijančius standartinės NC programinės įrangos galimybes.
Norėdami pasiekti tokį tikslumo lygį, gamintojai turi įveikti tokius iššūkius kaip detalių deformacija, didėjantis sudėtingumas ir specializuotų įrankių naudojimas. Pagrindinės mikro frezavimo galimybės:
Įrankio skersmuo ne mažesnis kaip 100 μm
Įrankio kraštinių santykis (L/D) nuo 10 iki 100
Veleno greitis ne mažesnis kaip 150 000 aps./min.
Apdirbimo nuokrypiai ne didesni kaip 0,1 mm
Geometrijos korekcija ir itin tikslūs įrankių keliai
Mikro frezavimas yra greitaeigio frezavimo ateitis. Įmonės, įvaldančios mikrotikslią liejimo gamybą, turės galingą konkurencinį pranašumą.
