Micro-usinagem: Técnicas Avançadas, Oportunidades de Mercado e Desafios Emergentes

A micro-usinagem é um grande negócio e está preparada para crescer nos próximos anos à medida que a indústria demanda peças menores e mais complexas. Mas o que o termo realmente significa, e como difere da "macro-usinagem" realizada diariamente em oficinas de máquinas em todo o mundo? Aqui está o que você precisa saber.

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

Com valor projetado de US$ 5,48 bilhões até 2027, o mercado global de micro-usinagem deve crescer para quase o dobro dos níveis de 2018 nos próximos anos, segundo o relatório.

Como a maioria da indústria, Jake Rutherford, engenheiro de pesquisa e desenvolvimento na KYOCERA SGS Precision Tools Inc., define micro-usinagem como qualquer peça ou característica 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 micro-usinagem foi a relojoaria, mas à medida que a tecnologia entregou componentes menores e mais precisos ao longo dos anos, o termo agora cobre uma ampla gama de indústrias, peças e materiais. Isso inclui todos os tipos de sensores, bombas cardíacas e equipamentos de monitoramento de respiração, componentes para as indústrias aeroespacial e automotiva, acessórios para microscópios eletrônicos, dispositivos microfluídicos, e até muitas das peças do seu smartphone.

Os materiais usados para fabricar esses componentes também cobrem uma ampla gama, com aços inoxidáveis e ligas de alta temperatura bastante comuns, bem como polímeros como PEEK, PTFE e POM.

"Há uma grande sobreposição de materiais entre indústrias, por isso as oficinas devem procurar ferramentas de micro-usinagem específicas para o material, em vez de ferramentas projetadas para um mercado ou aplicação específica", diz Rutherford.

Regras Práticas da Micro-usinagem

Independentemente do tamanho da peça, no entanto, os princípios gerais de usinagem permanecem os mesmos. O que é diferente é o efeito amplificado que quaisquer variáveis de aplicação menos que ideais têm no sucesso da micro-usinagem.

"Tudo se torna mais crítico", diz o Engenheiro de Aplicações da KYOCERA SGS, Jacob Rak. "Tome o runout como exemplo. Recomendamos no máximo 0,1% do diâmetro da ferramenta de corte. Quanto menor a ferramenta, mais difícil é alcançar isso e maior o efeito na vida da ferramenta."

Derek Nading concorda. Engenheiro de aplicações da M.A. Ford Mfg. Co. Inc., ele oferece uma regra prática para ferramentas maiores que 1/8" de diâmetro: para cada décimo de runout, operadores podem esperar ver uma redução de 10% na vida da ferramenta. "Quando você está lidando com ferramentas de corte de tamanho micro, a perda de vida da ferramenta pode ser ainda maior. É por isso que recomendamos um sistema shrink-fit de alta qualidade, hidráulico ou de prensa de precisão para a maioria das aplicações de fresamento e furação, mas especialmente para micro-usinagem."

Alcançar a velocidade de corte adequada também é crítico. Qualquer operador pode fazer a matemática, mas rodar uma fresa de 1/32" a 300 sfm requer perto de 40.000 rpm, muito mais alto do que a maioria dos centros de usinagem e todos os tornos são capazes de alcançar. Nestes casos, Nading e outros recomendam um cabeçote acelerador (speeder head). Versões elétricas, pneumáticas e a refrigerante estão prontamente disponíveis, embora Nading seja rápido em apontar que a primeira requer fiação elétrica, proibindo assim o uso do trocador automático de ferramentas da máquina.

Altas Velocidades de Fuso e Alimentação de Refrigerante Limpa

Para aplicações de microfuração com refrigerante interno, Nading observa que um sistema de refrigerante de alta pressão (HPC) com 500 a 1.000 PSI deve ser usado para acomodar os furos de refrigerante ultra-pequenos da broca. Ele alerta que a filtração adequada é crucial.

"Obviamente, os furos nestas brocas são minúsculos, então até o menor cavaco ou contaminação é suficiente para entupir tudo, muitas vezes resultando em falha quase instantânea da ferramenta", diz ele. "É por isso que gosto de ver níveis de filtração de 10 mícrons ou melhores para desempenho ótimo."

Mais do que altas velocidades de fuso e refrigerante limpo, Nading gosta de ver máquinas-ferramenta bem alinhadas e altamente precisas projetadas para micro-trabalho. O mesmo pensa Rak da KYOCERA SGS: "Quando você tenta rodar uma micro broca ou fresa em uma máquina muito grande, a resolução do eixo muitas vezes não é fina o suficiente, gerando movimentos que podem ser muito abruptos para a ferramenta suportar", diz ele.

Evan Duncanson, especialista em aplicações de fresamento na EMUGE Corp., observou outro erro comum de micro-usinagem: subalimentar a ferramenta.

"Pessoas novas neste tipo de trabalho tendem a poupar microferramentas, mas quando você reduz a taxa de avanço a 30.000+ rpm, acaba apenas empurrando o material e a ferramenta quebra", diz ele. "Você precisa usar a taxa de avanço recomendada para uma ferramenta cortar corretamente, independentemente de seu tamanho."

Os caminhos de ferramenta também podem precisar de ajuste. Duncanson sugeriu que o corte trocoidal ainda tem seu lugar, mas como micro fresas de topo são frequentemente limitadas a dois canais e têm um alcance relativamente longo, uma estratégia de fresamento diferente pode ser necessária.

"Muitas micro fresas de topo têm um comprimento de corte muito curto — frequentemente apenas uma a duas vezes o diâmetro — com um pescoço reduzido 10 ou até 20 vezes esse comprimento", diz ele. "Com estas ferramentas, você vai fazer um corte axial muito raso e usar um stepover relativamente pesado."

Por fim, aspirantes a micro-usinadores devem ter um orçamento de ferramentas apropriado. Assim como fresar e furar com ferramentas do tamanho de uma ponta de lápis não é para os fracos de coração, tampouco é a retífica de tais ferramentas. Duncanson e os outros aqui dizem que máquinas de retífica de alta tecnologia e rodas de grão fino especial são necessárias para alcançar os acabamentos extremamente lisos e arestas afiadas encontrados em seus produtos. Mesmo assim, as taxas de sucata aumentam — às vezes muito — à medida que o tamanho da ferramenta diminui. O resultado é custo de ferramenta mais alto.

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

Técnicas de Micro-usinagem

Apesar de toda esta conversa sobre ferramentas afiadas e equipamentos de retífica especiais, grande parte da "micro-usinagem" de hoje não é como descrita aqui. Sim, uma quantidade justa é feita usando ferramentas de corte convencionais em tornos CNC e centros de usinagem como discutido. Mas também há micro-usinagem a laser (veja sidebar), micro-EDM e um tipo de micro-usinagem que seria mais precisamente chamado de microfabricação.

Dois tais processos de fabricação existem. O primeiro — micro-usinagem em volume (bulk micromachining) — é tipicamente usado para criar MEMS (sistemas micro-eletro-mecânicos) através de etching seletivo de um substrato de silício. Se um dispositivo MEMS fosse do tamanho de uma casa, a maior parte estaria subterrânea, escavada com uma série de químicos cáusticos até que a estrutura e propriedades mecânicas desejadas sejam construídas.

A micro-usinagem de superfície (surface micromachining), por outro lado, constrói a "casa" dentro de uma camada de superfície que foi depositada sobre um wafer de silício. Partes desta camada cristalina, aproximadamente 25 mícrons de espessura, são removidas seletivamente via um processo de etching químico similar. 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 alta tecnologia.

Quais técnicas de micro-usinagem você achou mais úteis? Compartilhe seus pensamentos nos comentários abaixo.