Micromanufactura: retos gigantes

La micromanufactura puede convertirse en una oportunidad de mercado para los fabricantes de América Latina. Tal como lo muestra el autor en esta entrega, los avances en materia de componentes de maquinaria, en métodos de medición y en comprensión de los procesos de manufactura a escala micrométrica , permiten ver más cercano el sueño de un mundo en el que máquinas y aparatos compuestos de micro componentes formen parte de la vida diaria y cambien completamente el panorama al que estamos acostumbrados. Sin embargo, existen retos que no deben pasar desapercibidos.

Una de las macro tendencias mundiales claramente definidas es la de la miniaturización de productos masivos. Esto se ha visto, sobre todo, en la industria electrónica donde, gracias a los avances en procesos de litografía, se ha logrado reducir drásticamente el tamaño de los circuitos eléctricos . Sin embargo, en el campo de los productos que incluyen piezas tridimensionales complejas con materiales de alta resistencia mecánica, la masificación aún es un tema en estado temprano de desarrollo. Aplicaciones como rodamientos, reactores, turbinas y enfriadores en micro, al igual que aparatos para la industria médica que permitan realizar cirugías micro invasivas o tareas por endoscop ia de alta complejidad, están en etapa de investigación y desarrollo.

Entre las razones fundamentales para que aún no se logre producir en masa este tipo de productos encontramos la baja precisión relativa con que se pueden fabricar. Es decir, aunque actualmente pueden realizarse piezas muy pequeñas ( con características funcionales entre 10 y 100 µm), las tolerancias dimensionales con las que es posible fabricarlas están en el mismo orden de magnitud que la pieza misma.
Esto dificulta la configuración de un proceso de alta confiabilidad a l fabricar piezas en masa, debido a la incertidumbre sobre el resultado geométrico final. Uno de los principales retos que enfrentan los fabricantes para reducir esa incertidumbre es el de los efectos de escala.

Fabricar una pieza mecánica con características funcionales de dimensiones menores a 1 mm, no es tan simple como reducir su tamaño tradicional un número determinado de veces y apretar un botón para que una fresadora lo procese. Los efectos de escala son consecuencias estructurales o funcionales que ocurren cuando las propiedades de un sistema cambian al escalar sus dimensiones. Si se quiere producir piezas más pequeñas, es necesario entender con claridad lo anterior.

Efectos de escalamiento

Uno de los principales efectos de la reducción de dimensiones lineales en una pieza es que su volumen se reduce rápidamente (varía al cubo con la longitud) que su superficie (varía al cuadrado con la longitud). Es decir, las fuerzas relacionadas con la masa (proporcional al volumen), como el peso o la inercia, pierden importancia comparadas con fuerzas superficiales como la adhesión y la fricción. Por otro lado, condiciones ambientales como las fluctuaciones de temperatura y las vibraciones ganan trascendencia a la hora de mantener las tolerancias de fabricación deseadas.

Un efecto crucial a l mecanizar micro piezas es el hecho de que, a escala microscópica , las propiedades de los materiales se vuelven inhomogéneas. Materiales policristalinos como los aceros tradicionales, que macroscópicamente se tratan como un material continuo, en el rango micrométrico tienen en realidad direcciones preferentes de deformación y diferencias internas de dureza. El tamaño de grano de los metales, además de estar en el mismo orden de magnitud de las características geométricas de la pieza que se quiere fabricar, determina la rugosidad superficial mínima que se puede obtener con el proceso de corte. Igualmente, problemas de micro porosidad, inclusiones o micro grietas determinan de manera crucial la superficie de la pieza fabricada.

Un punto de gran importancia en el ámbito de la micro manufactura es el desarrollo de sistemas CAD/CAM diseñados para esta tarea. Holger Mescheder, miembro del Fraunhofer IPT en Alemania, pertenece al equipo que desarrolla específicamente sistemas avanzados de software para lograr resultados de mayor precisión al mecanizar piezas con características funcionales en el orden de los micrómetros.

Durante una de sus conferencias en la feria EMO, Mescheder explicó la necesidad de mejorar dos aspectos fundamentales de los sistemas CAM. El primero es la precisión de los cálculos de trayectorias de las herramientas. A escala macrométrica no se nota a simple vista cómo los programas CAD/CAM discretizan las curvas de una pieza en pequeños segmentos de recta. Sin embargo, en el rango micrométrico, el movimiento rectilíneo de la máquina usado para generar estos segmentos de recta puede cambiar completamente el aspecto deseado de una pieza. Por tanto, para ganar precisión, los programas deben generar una cantidad de puntos de trayectoria mucho mayor que en mecanizados tradicionales, para que la interpolación de posiciones en 3 o más ejes no genere errores inaceptables en las geometrías. Esto implica un reto para los controladores CNC, que deben regular la velocidad y los efectos dinámicos de los ejes de manera más estricta. Las estrategias de programación del movimiento de los ejes deben prevenir cambios abruptos de dirección, con el fin de evitar marcas en el material.

El segundo aspecto destacado por el ingeniero del Fraunhofer IPT fue el de la necesidad de recalcular la posición de la herramienta en 5 ejes en todo momento, para optimizar la manera como el filo de corte ataca el material, y evitar que existan lugares donde en lugar de corte, se genere abultamiento o deformación plástica del material, debido a las pequeñas profundidades de corte requeridas en micro manufactura. Estos cálculos permiten también mantener un espesor de viruta uniforme a pesar de cambia r constantemente de dirección. Esto hace que, idealmente, las fuerzas de corte se mantengan constantes y eviten así vibraciones que, además de poner en peligro la herramienta, generan errores notorios en las piezas fabricadas.

Herramientas para micro mecanizado

Una influencia del escalamiento geométrico del mecanizado es que el volumen de la viruta decrece más rápido que su superficie. Así, la energía necesaria para deformar la viruta pierde importancia comparada con la energía térmica a disipar, proveniente de la fricción entre la viruta y la herramienta. De esta manera, el desgaste de las herramientas se determina con mayor fuerza por efectos químicos en la superficie de corte a medida que se reduce el tamaño del material removido. La reducción de rigidez de la herramienta la torna también mucho más sensible a cambios drásticos en la forma como interviene sobre el material a cortar. Desde el punto de vista de las tolerancias de mecanizado, se vuelve mucho más importante el tema de la concentricidad de las herramientas mismas. Sobre todo en las herramientas de múltiples filos de corte puesto que, por lo general, ese tipo de tolerancias se encuentra en el mismo orden de magnitud del espesor de la viruta removida. De la misma forma, la rebaba remanente del proceso de corte tiene el mismo orden de magnitud que las estructuras que se quieren producir. Todo esto hace necesario conocer muy en detalle los fundamentos del proceso que se desea realizar, para producir piezas de alta calidad.

En la actualidad es posible conseguir comercialmente herramientas de fresado duro en diámetros de hasta 0, 1 mm, pero por pedidos especiales se pueden solicitar diámetros menores a 50 o 60 µm. Con el fin de soportar las altas temperaturas causadas por la fricción generada a altas velocidades de corte, se fabrican herramientas de corte en carburos de tungsteno. El esfuerzo actual de los fabricantes está dirigido a desarrollar carburos de tamaño de grano cada vez más pequeños (sub micrométricos) para generar radios de filo de corte más reducidos. De la misma manera, se desarrollan recubrimientos más delgados que permitan reducir el desgaste por efectos químicos, sin tener que aumentar demasiado los radios de filo de corte. En la a ctualidad, un recubrimiento aumenta el radio entre 2 y 3 µm.

Fabricantes de este tipo de herramientas, como Zecha-Werkzeuge, de Alemania, reportan valores de precisión de circularidad de 3 µm y precisión en el radio de filo de corte de ±5 µm. La precisión que ofrecen en cuanto al diámetro nominal es de +0/-10 µm. Como puede verse, estas tolerancias están en el rango de valores máximos que podrían soportar las piezas que se van a fabricar. Por tanto, es obligatorio en el caso de la micro manufactura hacer un chequeo exhaustivo de cada herramienta por medio de sistemas de medición sin contacto, antes de ser usadas.

Alta precisión relativa

El mundo de la micro manufactura está dominado en nuestros días por máquinas- herramienta fabricadas en países como Suiza, Alemania y Japón. Algunos desarrollos interesantes provienen también de Inglaterra y Estados Unidos. Entre las máquinas más populares usadas por las industrias que fabrican piezas para relojería, micro moldes para piezas de aparatos electrónicos y piezas ópticas de pequeñas dimensiones, se encuentran los centros de mecanizado vertical Makino, en sus modelos V22 e iQ300. Las fresadoras de 5 ejes KERN en sus versiones Pyramid Nano y Micro son también muy utilizadas para la fabricación de piezas de joyería, para el corte de metales preciosos con precisiones reportadas de ±0.5 µm. Todas estas máquinas tienen en común el uso de motores lineales con escalas de vidrio para retroalimentación de su posición a escala submicrométrica , además de controles muy estrictos de temperatura de sus componentes críticos. Los cabezales, en su mayoría, se basan en cojinetes de aire que permiten mayor velocidad y una reducción en la generación de calor por fricción a alta velocidad de rotación que, en algunos casos, alcanzan las 200. 000 rpm.

Un tema clave al pensar en automatizar los procesos para producción de micro piezas es la reproducibilidad del posicionamiento de las piezas en toda la cadena de producción. Para esto, la selección de un sistema de sujeción se torna clave. La precisión de repetición de posicionamiento de una paleta de sujeción en una misma mordaza de sujeción estándar se encuentra actualmente en ± 2 µm.

Al cambiar una paleta de sujeción a lo largo de varias mordazas de sujeción se puede empeorar el valor de repetibilidad a incluso 8 o 15 µm. Esto para muchos procesos es suficiente, pero para la producción de piezas con características micrométricas deja de ser aceptable. En la cadena de procesamiento (de una máquina- herramienta a otra, o a una máquina de medición), un sistema de sujeción estándar ya sobrepasa el límite de tolerancias de fabricación aceptable (normalmente < 5 µm) antes de tener siquiera en cuenta los errores causados por el proceso de manufactura mismo. En el mercado existen sistemas de sujeción como el Nano chuck de System 3R, que promete una reproducibilidad de posicionamiento de un sujetador a diferentes mordazas de sujeción de ± 0.5 µm, o el sistema μ-PrisFix, de Hirschmann, que promete valores por debajo de 1 µm. De manera práctica, con un sistema de sujeción como los descritos , aún quedan 4 μm de tolerancia disponibles para otros errores de fabricación de una micro pieza.

Todo en una máquina

Con el fin de evitar sumar errores de posicionamiento al cambiar la pieza de una máquina a otra, existe una fuerte tendencia a evaluar la posibilidad de realizar toda la cadena de producción en una sola máquina (diferentes procesos de maquinado + medición). Se han generado conceptos en el mundo para máquinas híbridas entre micro corte y láser, o vibraciones ultrasónicas. Un ejemplo exitoso de un concepto similar fue la máquina desarrollada durante el proyecto europeo “Integ-Micro” para la combinación de procesos de micro corte de viruta con el proceso de micro electroerosión (micro EDM).

Esta máquina fue desarrollada para fabricar piezas con características micrométricas complejas en materiales de difícil maquinado, como aceros de alta dureza e incluso cerámicos eléctricamente conductores. Entre sus aplicaciones se encuentran micro moldes y piezas para relojería y medicina. El hecho de tener en una misma máquina el proceso de micro- EDM y micro fresado, permite optimizar procesos de fabricación de manera notable, puesto que se pueden realizar cavidades complejas en materiales de gran dureza, en las cuales se comienza con un proceso de fresado de gran rapidez y se cambia luego a un proceso de EDM en el momento en que no es rentable continuar con el corte de viruta.

Las herramientas de micro fresado no superan comercialmente una relación de aspecto (longitud/diámetro) de 20. Por ejemplo, una fresa de 0, 1 mm de diámetro solo puede penetrar hasta 2 mm en una cavidad. Este tipo de herramientas, más susceptible a fallar por las fuerzas del proceso, tiene así que reducir sus parámetros de corte a niveles económicamente no rentables. Por esta razón se decide, desde cierta profundidad, continuar con un proceso de electroerosión. Al realizar este proceso en una sola máquina se elimina el error generado por el traslado de la pieza, como se explicó antes.

La máquina generada para Integ Micro, basada en una máquina de micro- EDM Sarix-SX200HPM de 5 ejes, tiene la capacidad de medir mediante un sistema láser las herramientas a utilizar (tanto micro fresadoras, brocas o cilindros de rectificado, como micro electrodos de penetración), con el fin de comprobar el diámetro real y su concentricidad con resolución sub micrométrica. Estos valores son re alimentados al sistema CAD/CAM para recalcular el programa CNC que genera las trayectorias exactas para un micro mecanizado con precisiones por debajo de 2 μm.

Como se puede observar, pensar en micro manufactura requiere algo más que solo reducir el tamaño de una pieza y fabricarla con métodos tradicionales. Sin embargo, los desarrollos actuales permiten pensar que un mundo dominado por las micro máquinas está cada vez más cerca.

 

MM2002RETOS