Mecanizado CNC de cerámica: Materiales, procesos y alternativas

Este artículo le ofrece una guía de mecanizado de un material muy útil en aplicaciones reales, pero extremadamente difícil de mecanizar. Este material se llama cerámica. Presenta una mayor resistencia a la fluencia y rigidez que el acero, una excelente resistencia a la corrosión, pero es muy frágil, por lo que resulta difícil de mecanizar. Una sola grieta de más de 10 micras puede provocar fallos. Por ejemplo, en la década de 2000, las válvulas de SiN4 fallaron catastróficamente en motores de automóviles. La causa de estos fallos fue un mecanizado impreciso. Un acabado superficial deficiente y las microfisuras inducidas por el mecanizado provocaron fallos prematuros. Por ello, es importante estudiar su mecanizado. Así pues, comencemos.

¿Qué es el mecanizado CNC de cerámica?

El mecanizado de cerámica es similar al mecanizado de metales. Esto significa que, en el mecanizado de cerámica, se elimina el material sobrante de la pieza mediante técnicas como el pulido y el esmerilado para obtener la forma final. La cerámica es un material extremadamente duro y quebradizo, por lo que resulta mucho más difícil de mecanizar que los metales.

Mecanizado CNC de cerámica explicado

El mecanizado de cerámica comienza con la materia prima. Al igual que las formas en bruto de los metales, como barras o placas, se mecanizan hasta obtener los diseños finales, la cerámica se presenta en forma de polvo tras un proceso de sinterización o densificación. La cerámica se presenta en polvo, a diferencia de los metales, que son muy frágiles y no se pueden deformar plásticamente. Por lo tanto, el mecanizado de cerámica comienza con polvos finos. Luego, este polvo se moldea o prensa hasta obtener la forma requerida. Una vez moldeada, la cerámica se somete a procesos adicionales, como el taladrado o el pulido.

Pros y contras

Las ventajas y desventajas del mecanizado de cerámica se presentan en la siguiente tabla:

¿Qué materiales cerámicos se pueden mecanizar?

Existen cientos de materiales cerámicos, como carburos, nitruros, silicatos, boruros, etc., pero no todos son mecanizables. Hay ciertos criterios que nos permiten determinar si un material cerámico es mecanizable. Se puede evaluar la dureza, la conductividad térmica, la microestructura, etc., para comprender la maquinabilidad de cada material. Analicemos algunos materiales cerámicos y evaluemos su maquinabilidad.

1. Alúmina (Al2O3)

La cerámica de alúmina se extrae del mineral de bauxita y se denomina óxido de aluminio. Es tan estable químicamente, dura y resistente al desgaste que solo es superada por el diamante y el carburo de silicio.

Es muy difícil de mecanizar en forma totalmente sinterizada, por eso es preferible mecanizarlo en forma verde (no sinterizada).

Las propiedades que se muestran en la siguiente tabla explican por qué es difícil de mecanizar.

• La elevada dureza de la alúmina tras la sinterización provoca el desgaste de la herramienta durante el mecanizado.
• Una conductividad térmica muy baja provoca sobrecalentamiento local y fisuras térmicas.
• Debido a su baja tenacidad a la fractura, se agrieta fácilmente bajo fuerzas de corte.

Para una pieza de trabajo de alúmina sinterizada, utilice corte con diamante o corte por láser.

2. Circonio (ZrO2)

La zirconia es una cerámica cristalina blanca con estructura cristalina monoclínica. Sus propiedades más importantes relacionadas con la maquinabilidad se detallan a continuación:

• Dureza: 12-14 GPa
• Tenacidad a la fractura: 6-10 MPa·m¹ᐟ²
• Conductividad térmica: 2-3 Wm/K

Es más resistente que la alúmina, por lo que es más fácil de mecanizar en comparación con la alúmina, pero aún así su dureza es muy alta y su conductividad térmica es muy baja, debido a lo cual el agrietamiento térmico es común durante el mecanizado.

3. Carburo de silicio (SiC)

El carburo de silicio es la cerámica más utilizada en el sector aeroespacial. Es una cerámica extremadamente dura, por lo que resulta muy difícil de mecanizar.

• Dureza: 25-28 GPa
• Tenacidad a la fractura: 3-4 MPa·m¹ᐟ²
• Conductividad térmica: 120-200 Wm/K

Tiene una gran ventaja en términos de mecanizado: su conductividad térmica (120-200 Wm/K), por lo que no presenta daños térmicos. Sin embargo, su tenacidad a la fractura es baja y su dureza es extremadamente alta.

4. Nitruro de Silicio (Si3N4)

El nitruro de silicio es una cerámica sin óxido; el silicio reacciona con el nitrógeno y forma fuertes enlaces covalentes. Se prefiere comúnmente a otras cerámicas donde la absorción de choque térmico es un requisito fundamental.

• Dureza: 15-17 GPa
• Tenacidad a la fractura: 6-8 MPa·m¹ᐟ²
• Conductividad térmica: 20-30 Wm/K

Su mecanizado es más difícil que el de la alúmina y la zirconia debido a su mayor dureza, menor tenacidad a la fractura y escasa conductividad térmica.

5. Nitruro de aluminio (AlN)

La cerámica no óxida, conocida por su excelente resistencia eléctrica, se utiliza preferentemente en electrónica.

• Dureza: 11-12 GPa
• Tenacidad a la fractura: 3-4 MPa·m¹ᐟ²
• Conductividad térmica: 170-200 Wm/K

Es más fácil de mecanizar que el nitruro de silicio debido a su buena conductividad térmica y menor dureza.

6. Nitruro de boro

El nitruro de boro se presenta en dos formas distintas debido a sus diferentes estructuras cristalinas. Por ejemplo, el hexagonal es una cerámica blanda, mientras que el cúbico es una cerámica extremadamente dura.

El BN hexagonal se utiliza comúnmente en todo el mundo; sus propiedades relacionadas con el mecanizado se detallan a continuación:

• Dureza: 1-2 GPa
• Tenacidad a la fractura: 5-1 MPa·m¹ᐟ²
• Conductividad térmica: 30-60 Wm/K

En el mundo de la cerámica, es fácilmente mecanizable.

Cómo seleccionar un grado de cerámica

El criterio fundamental para seleccionar un grado cerámico es su aplicación. Por ejemplo, si la aplicación está relacionada con la resistencia eléctrica, conviene optar por el nitruro de alúmina. Si requiere absorción de choque térmico, como en la industria aeroespacial, el nitruro de silicio es la opción ideal.

Mecanizado en verde frente a mecanizado totalmente sinterizado

La cerámica verde o presinterizada es diferente a la cerámica totalmente sinterizada, por lo que sus procesos de mecanizado son distintos. Veamos cómo.

Qué significan los estados “Verde” y “Cerveza”

Si el polvo cerámico solo se transforma en forma, como cuando se llena un molde de una taza, pero no se sinteriza, se dice que está en estado verde.

Si se sinteriza parcialmente para obtener cierta dureza, se denomina estado bizcocho.

¿En qué se diferencian?

En cuanto a la temperatura, el color verde indica que el polvo se ha moldeado a temperatura ambiente. Presenta menor dureza y excelente maquinabilidad.

El bizcocho es un estado de alta dureza debido al proceso de sinterización parcial. La sinterización parcial se realiza a una temperatura inferior a la de sinterización.

¿Cuándo mecanizar antes o después de la sinterización?

La siguiente tabla muestra cuándo mecanizar antes y después de la sinterización de un producto cerámico:

Operaciones de mecanizado CNC de cerámica

Con herramientas de corte convencionales, no es posible mecanizar un producto cerámico. Su mecanizado es bastante difícil debido a su dureza, fragilidad y baja conductividad térmica; por ello, se utilizan operaciones CNC avanzadas para este fin. Esta sección le presentará importantes operaciones CNC utilizadas para el mecanizado de cerámica.

Rectificado y lapeado de precisión

Durante las operaciones de rectificado y lapeado, las velocidades y avances de mecanizado dependen de la naturaleza de la cerámica. Por ejemplo, durante el rectificado de zirconio:

• Velocidad de mecanizado: 25 – 40 m/s
• Velocidad de avance: 0.5 – 3 mm/min

Durante la operación de pulido de zirconia:

• Velocidad: 20 – 60 rpm
• Presión: 0.05 – 0.5 MPa

Para materiales duros, se prefieren velocidades lentas y avances bajos.

Fresado CNC para cerámica

Para la cerámica en estado verde, las velocidades y avances para la operación de fresado son:

• Velocidad del husillo: 10,000 – 30,000 rpm
• Velocidad de avance: 100 – 500 mm/min

Pero si se trata de cerámica sinterizada, se utilizan velocidades y tasas de avance lentas.

• Velocidad: 15 – 25 m/s
• Velocidad de avance: inferior a 100 mm/min

Perforación y perforación de núcleos

Las herramientas de perforación recubiertas de diamante se utilizan en los procesos de perforación y perforación de núcleos.

Durante las operaciones de perforación

• Velocidad: de 10,000 a 60,000 rpm
• Velocidad de avance: 0.01 – 0.1 mm/min

Durante la operación de perforación del núcleo

• Velocidad: 2000 – 15,000 rpm
• Velocidad de avance: 0.02 – 0.2 mm/min

Cortar en dados, cortar en rodajas y serrar

Proceso de corte

• Se utiliza para obleas y sustratos semiconductores.
• Herramienta: Hoja de corte de diamante
• Velocidad: 20,000 – 40,000 rpm
• Velocidad de alimentación: 1 – 10 m/s

Corte del diámetro interior (DI)

• Se utiliza para cortar obleas de cerámica y sustratos ópticos.
• Velocidad: 15 – 35 m/s
• Velocidad de avance: 0.1 – 2 mm/s

Aserradura

• Se utiliza para el desbaste de piezas grandes.
• Velocidad: 20 – 40 m/s
• Velocidad de avance: 1 – 50 mm/min

Mecanizado láser

• Se utiliza principalmente para ranuras y microfunciones.
• Láseres comunes: láser de CO2, láser Nd:YAG
• Potencia: 10 - 500W
• Avance: 1 – 50 mm/s
• Gas auxiliar: Aire, oxígeno o nitrógeno

¿Cuáles son los principales desafíos del mecanizado de materiales cerámicos?

Hasta ahora, solo se han mencionado los principales retos relacionados con el mecanizado de materiales cerámicos. Ahora es el momento de profundizar en estos retos.

Alta fragilidad de los materiales

El principal desafío durante el mecanizado de materiales cerámicos radica en su dureza y fragilidad. Esto significa que no es posible deformarlos plásticamente. Los productos cerámicos pueden fracturarse repentinamente durante el mecanizado.

Choque térmico y grietas por calor

Los materiales cerámicos son porosos, por lo que el calor queda confinado en ellos. Tienen una conductividad térmica muy baja, lo que provoca que el calor quede atrapado dentro de su estructura y cause fisuras térmicas durante el mecanizado.

Charla sobre secciones delgadas

Si los productos cerámicos tienen secciones delgadas, durante el mecanizado, el problema habitual es la vibración en estas secciones. Las herramientas de corte empiezan a vibrar debido a la falta de rigidez de la superficie, lo que a su vez provoca un acabado superficial deficiente.

Diferencias en el mecanizado de metales, plásticos y cerámica

Esta sección abarca de forma exhaustiva las diferencias entre la cerámica, los metales y los plásticos en cuanto a su mecanizado.

Maquinabilidad del material

La dureza y la tenacidad son fundamentales para la facilidad o dificultad de mecanizado. Un material con baja dureza y alta tenacidad es fácil de mecanizar, y viceversa. La conductividad térmica es otro factor importante, pero se puede solucionar con una lubricación adecuada durante el mecanizado.

Mecanizado de metales

Los distintos metales presentan comportamientos de mecanizado diferentes, dependiendo de su naturaleza. Por ejemplo, el aluminio 6061 T6 es fácil de mecanizar debido a su ductilidad, lo que permite transformarlo fácilmente en cualquier forma. Las virutas se eliminan fácilmente de la superficie.

Por otro lado, el titanio es un metal más fuerte y duro. Es muy difícil de mecanizar.

Mecanizado de plásticos de ingeniería

Un plástico general no es fácil de mecanizar debido a su baja resistencia y puntos de fusión. Sin embargo, algunos plásticos de ingeniería, como el polioximetileno, son polímeros de ingeniería que presentan la resistencia adecuada para el proceso de mecanizado y mantienen su forma.

Por otro lado, el politetrafluoroetileno es un plástico muy blando. No conserva su forma durante el mecanizado.

Comportamiento térmico

El comportamiento térmico es fundamental en el mecanizado. Los metales son los mejores conductores térmicos en comparación con la cerámica y los polímeros. La facilidad de conducción del calor permite que un material conserve su forma durante el mecanizado. Los polímeros no conducen el calor, por lo que se funden. La cerámica retiene el calor, lo que provoca grietas térmicas.

¿Quién es más barato?

En cuanto al mecanizado, los polímeros son fáciles de mecanizar y se pueden transformar en las formas deseadas con herramientas convencionales, por lo que resultan más económicos en términos de costes de mecanizado. Los costes de mecanizado de los metales se sitúan entre los de los polímeros y las cerámicas. Las cerámicas presentan los costes de mecanizado más elevados.

Diseño para la Fabricación (DFM) para Cerámica

El diseño de la pieza es muy básico para su mecanizado. No es posible mecanizar cualquier diseño debido a requisitos que, en ocasiones, resultan más complejos que los especificados en el diseño. Esta sección proporciona información sobre el diseño para fabricación (DFM).

Propósitos de diseño

Las máquinas CNC son máquinas automatizadas. Las herramientas de corte se adaptan al diseño de la pieza durante el mecanizado. Un diseño deficiente o excesivamente complejo puede provocar la rotura de la pieza y de la herramienta de corte, por lo que es fundamental comprender el diseño de la pieza a la perfección para evitar problemas durante el proceso de mecanizado.

¿Cómo evitar roturas?

Para evitar la rotura de la pieza de trabajo o de las herramientas de corte durante el mecanizado CNC, siga los siguientes consejos:

• Sustituye los bordes afilados por esquinas redondeadas.
• Evite las secciones delgadas
• Realiza radios de empalme grandes en las intersecciones
• Intenta reducir al máximo el número de agujeros, muescas o roscas.
• Prefiero los diseños simétricos

¿Cómo simplificarlo?

Puedes transformar la forma compleja de una pieza de trabajo siguiendo estos pasos:

1. Dividir el diseño de la pieza de trabajo en segmentos simples
2. Evite cortes profundos o socavados.
3. Simplemente convierte las curvas en arcos o líneas.
4. Reduzca el número de agujeros
5. Utilice formas estándar, como cilíndricas, cónicas o planas.
6. Intente hacer coincidir el diseño con las opciones de mecanizado disponibles

Consideraciones sobre las herramientas de mecanizado de cerámica

Dado que la cerámica es un material muy duro, resulta extremadamente difícil de mecanizar. Por ello, es fundamental elegir con sumo cuidado las herramientas adecuadas. Las herramientas idóneas para trabajar con materiales tan duros son las fresas y tornos de diamante. Estas herramientas soportan el calor y la carga propios del mecanizado de la cerámica.

¿Puedo utilizar otros materiales alternativos?

Si se pueden elegir materiales cerámicos alternativos, todo depende de los requisitos de la aplicación. Veamos las propiedades que nos ayudan a encontrar una alternativa.

Alternativas a funciones similares

Muchos materiales pueden tener funciones similares entre sí. Por ejemplo, los polímeros y las cerámicas comparten una función similar: la resistencia eléctrica. Si dos materiales tienen funciones similares, significa que a veces pueden sustituirse mutuamente (depende del caso. Si desea una respuesta precisa sobre si pueden sustituirse o no, puede solicitar un presupuesto al equipo de TUOFA , que estará encantado de ayudarle a que su proyecto personalizado sea un éxito).

Alto desgaste y abrasión

Cuando una aplicación requiere principalmente alta resistencia al desgaste y a la abrasión, se puede utilizar tungsteno-cobalto (WC) como alternativa. Su mecanizado es relativamente más sencillo que el de la cerámica.

Aislamiento electrico

Si el requisito principal a temperatura ambiente es la resistencia eléctrica, incluso plásticos como el PTFE o un polímero de ingeniería, como el PEEK, pueden ser una alternativa a la cerámica. Estos polímeros son más económicos, ligeros y fáciles de mecanizar.

Resistencia a altas temperaturas

Para aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, se puede utilizar una alternativa a la cerámica, que es el Inconel 625. Es una aleación de níquel que es más ligera que la cerámica, más fácil de mecanizar y no falla de forma catastrófica.

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Si necesita asesoramiento para encontrar la mejor alternativa de material cerámico para su aplicación, contáctenos. Le ayudaremos a encontrar la mejor opción y la transformaremos en la forma final a precios competitivos y con los plazos de entrega más cortos posibles.

Aplicaciones en Diversas Industrias

Aquí presentamos algunas aplicaciones de la cerámica en el mundo real.

Componentes médicos

1. La alúmina y la zirconia se utilizan ampliamente en articulaciones de rodilla y cadera, cavidades e implantes dentales.
2. La hidroxiapatita se utiliza como recubrimiento para implantes metálicos.
3. Las cerámicas piezoeléctricas se utilizan en sensores ultrasónicos y de presión.

Semiconductores y óptica

Semiconductores

1. La alúmina y el nitruro de silicio se utilizan en sustratos y encapsulados debido a su excelente resistencia eléctrica.
2. La cerámica se utiliza para fabricar aislantes y espaciadores para equipos semiconductores de vacío y de alto voltaje.

Óptica

1. Las cerámicas de zafiro y espinela se utilizan en lentes y componentes láser.
2. El ZnS y el ZnSe se utilizan en sensores infrarrojos, misiles e imágenes térmicas.

Aeroespacial y Energía

Aeroespacial

1. Los materiales cerámicos se utilizan como recubrimientos de barrera térmica para álabes y toberas de turbinas.
2. El SiC y el SiN se utilizan en rotores de turbinas y revestimientos de cámaras de combustión.
3. La alúmina y el nitruro de silicio se utilizan en radomos transparentes.

Energía

1. El dióxido de uranio y el carburo de boro se utilizan como combustible y absorbentes de neutrones en reactores nucleares.
2. La alúmina y la sílice se utilizan en hornos y reactores para el aislamiento térmico.

Conclusión

La cerámica es un material importante en nuestras aplicaciones cotidianas, desde el sector médico hasta el aeroespacial, pasando por el eléctrico y el energético. Presenta ciertas limitaciones, como su fragilidad y alta dureza, que dificultan su mecanizado. Para su mecanizado, se requieren herramientas de corte especiales, como fresas o torneados de diamante.

Para facilitar el mecanizado de la cerámica, se pueden realizar cambios en los diseños o sustituirlos por otros alternativos.

Preguntas Frecuentes

¿Por qué es tan difícil mecanizar la cerámica?

La cerámica presenta la mayor fragilidad en comparación con los metales, los compuestos o los polímeros. Durante el mecanizado o el mantenimiento de la aplicación, incluso una microfisura puede provocar un fallo catastrófico en los productos cerámicos, razón por la cual la cerámica es tan difícil de mecanizar.