À medida que computadores e televisores continuam a se tornar mais finos, a tecnologia médica também avançou a ponto de dispositivos cada vez mais miniaturizados poderem ser implantados no corpo humano - até mesmo câmeras pequenas o suficiente para navegar dentro dele.
As coisas não estão apenas ficando menores, mas também estão sendo equipadas com mais componentes, oferecendo maior potência e funcionalidade. Os microcomponentes agora têm uma ampla gama de aplicações em setores como aeroespacial, automotivo, biomédico, eletrônico, tecnologia da informação, óptica e telecomunicações.
O desenvolvimento de todos esses produtos está gerando maiores demandas por peças e montagens menores. Para reduzir continuamente os custos, a maioria desses componentes em miniatura é produzida usando moldes. Essas tendências estão colocando novos e diversos desafios aos fabricantes de moldes, desde a utilização de novos materiais de grau aeroespacial e revestimentos especiais de moldes até o fresamento com ferramentas de 0,1 mm de diâmetro e obtenção de precisão submicrônica.
Ao mesmo tempo, a complexidade intrínseca dos microcomponentes também cria novas oportunidades. À medida que a produção de moldes simples e moderadamente complexos muda para países com custos de mão de obra mais baixos, os fabricantes de moldes nos EUA e na Europa podem manter sua vantagem competitiva recorrendo a tecnologias avançadas, como micromoldagem e microfresagem.
Desafios da fabricação de peças pequenas
Um dos principais desafios na produção de moldes para componentes em miniatura é a usinagem real dessas peças minúsculas. Tanto o fresamento direto de áreas funcionais do molde quanto a produção de pequenos eletrodos EDM exigem muito da tecnologia de fresamento.
Os desafios do microfresamento incluem o uso de ferramentas ultrapequenas - às vezes tão pequenas quanto 100 mícrons (μm) ou menos - operando em velocidades de fuso de até 150.000 rpm. A rugosidade superficial necessária geralmente atinge Ra 0,2 mícrons. Como o polimento de recursos tão pequenos geralmente é impraticável, o microfresamento deve obter um acabamento sem polimento.
Fresamento de um eletrodo EDM com uma ferramenta de 0,1 mm (foto cortesia de Cimatron).
Tecnologia de microfresagem
Para atender às demandas de qualidade e precisão e, ao mesmo tempo, manter-se economicamente viável, toda a cadeia de fabricação deve ser otimizada e sincronizada. Os fornecedores de máquinas, ferramentas, porta-ferramentas, acessórios e equipamentos de controle de qualidade CNC devem fornecer soluções competitivas e precisas.
Principais considerações em um ambiente de microfresamento:
1) Ferramentas, suportes e fusos
Ferramentas de pequeno diâmetro são fundamentais para o microfresamento. Dependendo do tamanho da peça, as ferramentas podem ser tão pequenas quanto 0,1 mm e possivelmente menores no futuro. A disponibilidade e o custo de tais ferramentas devem ser considerados antecipadamente.
Altas velocidades do fuso são essenciais para ferramentas de pequeno diâmetro. Por exemplo, a 10.000 rpm usando uma ferramenta de 0,1 mm, a velocidade de corte (Vc) é de apenas 3,3 m/min - o que é muito baixo.
Para fusos operando entre 20.000 e 150.000 rpm, é fundamental alcançar um equilíbrio dinâmico perfeito e batimento zero usando porta-ferramentas termorretráteis de alta precisão. Caso contrário, o acabamento superficial será prejudicado e a vida útil da ferramenta diminuirá significativamente.
2) Fixação e Integração de Processos
As peças de microfresagem normalmente devem ser usinadas em uma única configuração. A combinação de EDM e fresamento em operações separadas pode levar a um desalinhamento inaceitável e marcas de ferramentas visíveis.
3) Máquinas-ferramentas e ambiente de oficina
As máquinas devem oferecer precisão e resolução consistentes com quatro casas decimais (ou seja, nível de mícron).
O microfresamento se beneficia muito dos recursos de cinco eixos, permitindo ferramentas mais curtas ao se inclinarem para longe das superfícies. No entanto, como a precisão atual de cinco eixos geralmente fica atrás dos sistemas de três eixos, qualquer implementação de cinco eixos para microfresamento deve ser totalmente validada.
O controle de temperatura e o isolamento de vibração são críticos. Mesmo um caminhão pesado passando pela oficina pode deixar marcas em uma superfície se a máquina não estiver devidamente isolada.
4) Estratégias de moagem
Dependendo da geometria, o microfresamento pode exigir estratégias além de simples reduções. Em muitos casos, a fresagem por subida (em vez da fresagem convencional) é a abordagem preferida.
As soluções CAD/CAM para microfresagem de alta precisão na fabricação de moldes devem oferecer ferramentas 3D fáceis de usar.
Requisitos de CAD/CAM
Embora seja intuitivo pensar em máquinas, suportes e ferramentas como os principais desafios na redução da microfabricação, o software é igualmente complexo. À primeira vista, o software pode parecer mais fácil - ele deve lidar com números como 0,0001 tão bem quanto 1,0 ou 10. Mas, na realidade, é muito mais sutil.
Recursos essenciais para sistemas CAD:
A interpretação confiável e precisa do modelo é crucial. Reduzir a conversão de dados entre sistemas ajuda a manter a fidelidade do modelo.
Tolerâncias geométricas ultra-rígidas (0,1–0,01 mícrons) são essenciais para criar linhas de partição ou geometria para controles deslizantes, pinos ejetores e elevadores. As folgas entre as superfícies de partição devem ser eliminadas, mantendo a continuidade de C1 e C2.
Suporte para moldes muito pequenos e com várias cavidades, incluindo peças de amostra e montagens complexas.
Requisitos do sistema CAM para microfresamento:
Suporte para tolerâncias apertadas e usinagem de altíssima precisão.
Como a intervenção manual é impossível durante a operação, o CAM deve gerenciar com precisão a carga de cavacos em todo o caminho da ferramenta.
Uso de modelos matemáticos de alta resolução para manter a fidelidade geométrica. As plataformas CAD/CAM integradas são ideais, pois eliminam erros de tradução.
Funções de modelagem de alta precisão integradas (por exemplo, capeamento de superfície, extensão) com controle tangente apropriado.
Suporte para desvio de percurso de até 0,1 mícron - crítico ao usinar recursos finos em peças grandes.
Capacidade de definir parâmetros de nível de microfresamento, como o uso de uma ferramenta de 0,1 mm, passos de passo de 0,005 mm e raio de ferramenta de 0,05 mm. O percurso resultante deve ter precisão de cinco casas decimais.
Estratégias que combinam desbaste, semiacabamento e acabamento em uma operação contínua.
Controle inteligente da taxa de avanço com base no estoque restante real para proteger ferramentas frágeis e reduzir o tempo de usinagem.
Conclusão
Microssistemas, micromoldes e microfresamento estão emergindo como tecnologias empolgantes para a produção em massa de peças em miniatura. Com precisão submicrônica e ferramentas de corte quase invisíveis a olho nu, esse campo em rápido crescimento apresenta muitos desafios e oportunidades para fabricantes e fornecedores de moldes.
Requer conhecimento profundo de novos materiais, ferramentas ultrafinas, revestimentos especiais e software CAD/CAM avançado. No entanto, a microfresagem também oferece uma vantagem competitiva para os fabricantes que buscam se diferenciar dos concorrentes de baixo custo.
O desenvolvimento eficaz neste campo exige colaboração entre a indústria, instituições de pesquisa e governos - um modelo já em andamento na Europa. A iniciativa CRAFT da UE, liderada pelo Fraunhofer IPT, fez parceria com os principais fornecedores de CAD/CAM, máquinas, ferramentas e acessórios CNC para desenvolver materiais, máquinas e ferramentas de software de última geração para microfabricação.
É hora de a indústria norte-americana de fabricação de ferramentas se juntar e capitalizar esse segmento de mercado emergente e altamente lucrativo.
Micro-fresamento em resumo
A tecnologia de microssistemas tornou-se uma das indústrias de crescimento mais rápido em todo o mundo. Setores como dispositivos biomédicos, óptica e microeletrônica (incluindo componentes móveis e de computador) estão gerando uma enorme demanda por peças minúsculas e de alta precisão.
Os componentes que requerem microfabricação geralmente medem 5 mm ou menos, com demandas de acabamento superficial de 0,2 mícrons ou mais e dureza do material atingindo 45 HRC ou mais.
A microfresagem é uma tecnologia de ponta projetada especificamente para a fabricação de componentes em miniatura e ultraprecisos. Envolve ferramentas menores que 0,1 mm de diâmetro, alcançando superfícies ultra-suaves e tolerâncias de nível de mícron - muito além das capacidades do software NC padrão.
Para atingir esse nível de precisão, os fabricantes devem superar desafios como deformação de peças, aumento da complexidade e uso de ferramentas especializadas. Os principais recursos de microfresagem incluem:
Diâmetros de ferramenta de 100 μm ou menores
Proporções da ferramenta (L/D) de 10 a 100
Velocidades do fuso de 150.000 rpm ou mais
Tolerâncias de usinagem de 0,1 mm ou menos
Correção de geometria e percursos de ferramentas ultraprecisos
A microfresagem representa o futuro da fresagem de alta velocidade. As empresas que dominam a fabricação de moldes de microprecisão desfrutarão de uma poderosa vantagem competitiva.
