Micromaquinação:técnicas, oportunidades e desafios

A micromaquinação é um grande negócio e deve crescer nos próximos anos, à medida que a indústria exige peças menores e mais complexas. Mas o que o termo realmente significa e como ele é diferente da “macromaquinação” realizada todos os dias nas oficinas de máquinas em todo o mundo? Aqui está o que você precisa saber.

Seja para a indústria médica, eletrônica aeroespacial ou automotiva, a microusinagem é um grande negócio. E está prestes a ficar muito maior, de acordo com um relatório de novembro de 2019 da empresa de pesquisa The Insight Partners.

Com um valor projetado de US$ 5,48 bilhões até 2027, o mercado global de microusinagem deverá crescer para quase o dobro dos níveis de 2018 nos próximos anos, de acordo com o relatório.

Como a maioria na indústria, Jake Rutherford, engenheiro de pesquisa e desenvolvimento da KYOCERA SGS Precision Tools Inc., define microusinagem como qualquer peça ou recurso de peça que exija ferramentas menores que 1/8 de polegada ou 3 milímetros de diâmetro.



Não é nada novo, ele explica. A primeira aplicação para microusinagem foi na relojoaria, mas como a tecnologia forneceu componentes menores e mais precisos ao longo dos anos, o termo agora abrange uma ampla gama de indústrias, peças e materiais. Isso inclui todos os tipos de sensores, bombas cardíacas e equipamentos de monitoramento da respiração, componentes para as indústrias aeroespacial e automotiva, acessórios para microscópio eletrônico, dispositivos microfluídicos e até mesmo muitas das peças do seu smartphone.

Os materiais usados ​​para fazer esses componentes também abrangem uma ampla gama, sendo os aços inoxidáveis ​​e ligas de alta temperatura bastante comuns, além de polímeros como PEEK, PTFE e POM.

“Há uma grande sobreposição de materiais entre os setores, e é por isso que as oficinas devem procurar ferramentas de microusinagem específicas ao material, em vez de ferramentas projetadas para um mercado ou aplicação específica”, diz Rutherford.

Regras práticas da micromaquinação 

Independentemente do tamanho da peça, no entanto, os princípios gerais de usinagem permanecem os mesmos. O que é diferente é o efeito amplificado que qualquer variável de aplicação abaixo do ideal tem no sucesso da microusinagem.

“Tudo se torna mais crítico”, diz Jacob Rak, engenheiro de aplicações da KYOCERA SGS. “Tome o runout como exemplo. Recomendamos um máximo de 0,1% do diâmetro da sua ferramenta de corte. Quanto menor a ferramenta, porém, mais difícil é alcançar e maior o efeito na vida útil da ferramenta.”

Derek Nading concorda. Engenheiro de aplicações da M.A. Ford Mfg. Co. Inc., ele oferece uma regra prática para ferramentas com mais de 1/8” de diâmetro:para cada décimo de excentricidade, os maquinistas podem esperar uma redução de 10% na vida útil da ferramenta. “Quando você está lidando com ferramentas de corte de tamanho micro, a perda na vida útil da ferramenta pode ser ainda maior. É por isso que recomendamos um sistema de ajuste por contração, hidráulico ou de precisão de alta qualidade para a maioria das aplicações de fresamento e furação, mas especialmente para microusinagem.”

Atingir a velocidade de superfície adequada também é fundamental. Qualquer maquinista pode fazer as contas, mas operar uma fresa de 1/32” a 300 sfm requer cerca de 40.000 rpm, muito mais do que a maioria dos centros de usinagem e todos os tornos são capazes de alcançar. Nessas situações, Nading e outros recomendam um speeder head. Versões elétricas, pneumáticas e com refrigeração estão prontamente disponíveis, embora Nading seja rápido em apontar que a primeira delas requer fiação elétrica, proibindo assim o uso do trocador automático de ferramentas da máquina.

Altas velocidades do fuso e alimentação limpa de refrigerante

Para aplicações de microfuração com refrigeração, Nading observa que um sistema de refrigeração de alta pressão (HPC) com 500 a 1.000 PSI deve ser usado para acomodar os furos de refrigeração ultrapequenos da broca. Ele alerta que a filtragem adequada é crucial.

“Obviamente, os furos nessas brocas são bem pequenos, então mesmo o menor cavaco ou contaminação é suficiente para obstruir os trabalhos, muitas vezes resultando em falha quase instantânea da ferramenta”, diz ele. “É por isso que gosto de ver níveis de filtragem de 10 mícrons ou melhores para um desempenho ideal.”

Ainda mais do que altas velocidades do fuso e refrigeração limpa, Nading gosta de ver máquinas-ferramentas bem alinhadas e altamente precisas projetadas para microtrabalho. O mesmo acontece com Rak da KYOCERA SGS:“Quando você tenta executar uma micro furadeira ou fresa de topo em uma máquina muito grande, a resolução do eixo geralmente não é boa o suficiente, gerando movimentos que podem ser muito abruptos para a ferramenta suportar”, diz ele .

Evan Duncanson, especialista em aplicações de fresamento da EMUGE Corp., observou outro erro comum de microusinagem:subalimentação da ferramenta.

“Pessoas novas nesse tipo de trabalho tendem a usar microferramentas para bebês, mas quando você reduz a taxa de alimentação a mais de 30.000 rpm, acaba empurrando o material e a ferramenta quebra”, diz ele. “Você precisa usar a taxa de avanço recomendada para que uma ferramenta corte corretamente, independentemente de seu tamanho.”

Os próprios percursos também podem precisar de ajustes. Duncanson sugeriu que o corte trocoidal ainda tem seu lugar, mas como as microfresas de topo geralmente são limitadas a dois canais e têm um alcance relativamente longo, uma estratégia de fresamento diferente pode ser necessária.

“Muitas microfresas de topo têm um comprimento de corte muito curto – geralmente apenas uma a duas vezes o diâmetro – com um pescoço reduzido de 10 ou até 20 vezes em comprimento”, diz ele. “Com essas ferramentas, você fará um corte axial muito raso e usará uma quantidade de passagem relativamente pesada.”

Por último, aspirantes a micromaquinistas devem ter um orçamento de ferramentas adequado. Assim como fresar e perfurar com ferramentas do tamanho de uma mina de lápis não é para os fracos de coração, nem a retificação de tais ferramentas. Duncanson e os outros aqui dizem que são necessárias retificadoras de ponta e rebolos especiais de grão fino para obter os acabamentos extremamente lisos e as arestas vivas encontradas em seus produtos. Mesmo assim, as taxas de refugo aumentam — às vezes muito — à medida que o tamanho da ferramenta diminui. O resultado é um custo de ferramenta mais alto.

“Olhe para a aresta de corte em uma fresa de topo padrão de 1/2” sob um microscópio”, diz ele. “Não importa quão boa seja a ferramenta, você verá de dois a três mícrons de microchip e fratura de borda. É por isso que a maioria dos fabricantes aplica um leve polimento em suas ferramentas, para suavizar essa fratura e basicamente pré-desgastar a ferramenta. Você não pode fazer isso quando a ferramenta é um décimo desse tamanho, no entanto, assim como você não pode aplicar os mesmos revestimentos de cinco a 10 mícrons de espessura. Tudo tem que ser o mais nítido possível.”

Técnicas de micromaquinação

Apesar de toda essa conversa sobre ferramentas afiadas e equipamentos especiais de retificação, grande parte da “microusinagem” de hoje não é como descrita aqui. Sim, uma boa quantidade é feita usando ferramentas de corte convencionais em tornos CNC e centros de usinagem, conforme discutido anteriormente. Mas também há microusinagem a laser (veja a barra lateral), micro-EDM e um tipo de microusinagem que seria mais precisamente chamado de microfabricação.

Existem dois desses processos de fabricação. A primeira delas – microusinagem em massa – é normalmente usada para criar MEMS (sistemas microeletromecânicos) por meio da gravação seletiva de um substrato de silício. Se um dispositivo MEMS fosse do tamanho de uma casa, a maior parte seria subterrânea, escavada com uma série de produtos químicos cáusticos até que a estrutura e as propriedades mecânicas desejadas fossem construídas.

A microusinagem de superfície, por outro lado, constrói a “casa” dentro de uma camada superficial que foi depositada em cima de uma pastilha de silício. Partes dessa camada cristalina, com aproximadamente 25 mícrons de espessura, são removidas seletivamente por meio de um processo de ataque químico semelhante. Ambos os processos têm seus prós e contras, e ambos são usados ​​para produzir uma ampla gama de dispositivos extremamente pequenos. Estes incluem MEMS, sensores inerciais, giroscópios e dispositivos de detecção de pressão, todos os quais podem ser encontrados em smartphones, automóveis, aeronaves e vários produtos industriais de ponta.



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