Micromecanizado garantiza tolerancias con rangos inferiores a una micra

Para muchos talleres, las tolerancias de piezas de 0.0003 a 0.0005 pulgadas son estrictas. En Sunlight-Tech Inc., de Mokena, Illinois, los trabajos de rutina pueden implicar tolerancias inferiores a una micra (0.00003937 pulgadas), requisitos difíciles de lograr con el mecanizado CNC convencional o, incluso, con el mecanizado por electroerosión (EDM). Además, muchas de las piezas del taller son casi microscópicas o requieren operaciones minúsculas e intrincadas.

Según el presidente de Sunlight Tech, Grzegorz (Greg) Nowobilski, el taller solo puede completar este trabajo con tecnología de micromecanizado láser y microfresado en máquinas que pueden moverse con la misma precisión que las tolerancias de pieza, inferiores a una micra, que el taller necesita mantener.

Cumplimiento de los requerimientos micro

El taller, de 22 personas, inició operaciones en 2010 como consultor de ingeniería, enfocado en el diseño de maquinaria y automatización. En 2018, Sunlight se expandió más allá de la consultoría y diversificó su portafolio hacia el micromecanizado láser y el microfresado. Como resultado de este cambio, ahora el taller atiende una amplia gama de clientes en las industrias automotriz, de alimentos, de bienes de consumo, aeroespacial, de defensa, electrónica, de comunicaciones y médica.

Con su capacidad de procesos de micromecanizado láser, Sunlight cumple los requerimientos de sus clientes, como generar 3,200 orificios, cada uno de 254 micras de diámetro en una relación de profundidad a diámetro de 11: 1, o producir operaciones cuadradas en la parte superior y redondas en la parte inferior, con ahusamientos positivos o negativos, junto con otros tipos de cavidades y operaciones ciegas.

También utiliza su tecnología láser para piezas que no deben estar contaminadas o entrar en contacto con materiales extraños, algo que el taller define como un riesgo común durante las operaciones de fresado convencional que involucran herramientas de corte. Debido a que la mayoría de las piezas son extremadamente pequeñas y frágiles, Sunlight las micromecaniza con sistemas láser para evitar crear fuerzas de corte que puedan generar daño.

Las herramientas adecuadas para el trabajo de micromecanizado

Sunlight tiene actualmente dos sistemas de micromecanizado láser ultrarrápidos, de GF Machining Solutions: una máquina de cinco ejes Microlution ML-5 y una máquina de tres ejes Microlution ML-5 con un área de trabajo más grande.

Los Microlution ML-5 son capaces de ofrecer una precisión posicional de ± 1 μm y una repetibilidad de ± 0.5 μm. El movimiento láser de cinco ejes completo del ML-5s es capaz de “doblar” el rayo para generar formas altamente complejas que no serían posibles con la perforación convencional, como las boquillas de los inyectores de combustible GDI que utilizan orificios de pulverización mecanizados y posicionados con alta precisión para lograr la tasa de flujo y el patrón de pulverización deseados dentro del cilindro de un motor. Los clientes de estas piezas, generalmente, requieren orificios de conicidad negativa de alrededor de 4 grados, una rugosidad superficial (Ra) inferior a 0.3 μm, repetibilidad de diámetro de alrededor de ± 1 μm y tolerancias de posicionamiento de apenas unas pocas micras.

Las bases de granito natural rectificado con precisión y los rieles montados en granito soportan los sistemas de suministro tipo viga de alta precisión de las máquinas. Las bases están diseñadas para proporcionar alta estabilidad térmica durante ciclos de producción prolongados, para mantener la calidad de la pieza.

Según indica GF Machining Solutions, los motores lineales de alta precisión permiten que las máquinas alcancen la aceleración máxima sin retroceso y con tiempos de ciclo y uso consumibles significativamente reducidos. Otras características incluyen codificadores de escala de vidrio de alta resolución, así como sondas táctiles en línea para las piezas de trabajo, medidores de potencia integrados y cámaras ópticas de gran velocidad.

Ambas máquinas utilizan tecnología láser de femtosegundos: los sistemas láser tienen pulsos en el rango de una cuatrillonésima de segundo. Eliminan la mayoría de la formación de rebabas y su duración de pulso ultracorta evita que los materiales entren en un estado de fusión durante el mecanizado, lo que según GF Machining Solutions hace que estos láseres sean adecuados para las piezas sensibles al calor de Sunlight.

Por su parte, en el microfresado, Sunlight utiliza su centro de microfresado Microlution 5100 con tecnología de microfresado de cinco ejes de alta velocidad para producir piezas de precisión con geometrías complejas. Diseñada para fabricar componentes diminutos con precisión a nivel de micras, la máquina, que maneja piezas de hasta 4 × 4 × 4 pulgadas, utiliza herramientas de corte que van desde 0.0004 hasta 0.124 pulgadas de diámetro.

Con su precisión de posicionamiento de ± 0.00004 pulgadas, GF Machining Solutions dice que el centro de mecanizado con motor lineal estilo puente vertical, de gran rendimiento, es ideal para aplicaciones que involucran piezas pequeñas de alta precisión de Sunlight, como las necesarias para el manejo de microfluidos en la industria médica, que exigen mantener tolerancias geométricas en los canales de ± 3 μm.

De la investigación y desarrollo al proceso productivo

Muchos trabajos de micromecanizado láser de Sunlight implican trabajo de investigación y desarrollo. Según Nowobilski, dado que el mecanizado láser de pulso ultracorto tiene menos de una década, las empresas experimentan con la tecnología para ver cómo beneficiar las piezas que producen actualmente. Sunlight les ayuda a probar esos conceptos.

Estos ejercicios de creación de prototipos, generalmente, comienzan con el mecanizado en el taller, de una o dos piezas de prueba, para que el cliente las evalúe. A partir de ahí los clientes pueden solicitar entre 25 y 50 piezas para probar la implementación del diseño en el producto. Si esa prueba tiene éxito, el cliente puede solicitar la producción completa de los componentes por parte de Sunlight, con tamaños de lote que van desde 10 unidades hasta varios cientos de piezas por mes.

Los tiempos de ciclo típicos de las piezas varían entre unos pocos segundos y cuatro o cinco horas para componentes que requieren múltiples operaciones, como 220 orificios en una sola pieza o, en casos extremos, hasta seis horas para componentes con operaciones complicadas.

“Un factor clave del mecanizado láser efectivo es determinar los parámetros láser correctos ―dice Nowobilski― y trabajamos con el equipo de soporte de ingeniería de aplicaciones de GF Machining Solutions para desarrollar esos parámetros”.

Este soporte, combinado con la experiencia láser previa de Nowobilski, permitió que Sunlight se pusiera al día rápidamente en la programación de las máquinas Microlution. Como lo explica Nowobilski: “Después de solo unas pocas semanas, entendimos los parámetros del láser y cómo debían cambiarse para generar formas y operaciones de piezas específicas”.

Para la ingeniera de aplicaciones Kelsey Tschetter, programar cómodamente la máquina Microlution tomó solo unos tres meses. Ella programa, configura y ejecuta la máquina de cinco ejes ML-5 mientras trabaja con sus colegas para desarrollar la forma como se ejecutará un trabajo. Hacer referencia a proyectos pasados ​​le ha ayudado a acortar los tiempos de proceso de forma significativa en muchos de esos trabajos.