Mecanizado de ultraprecisión: procesos, rendimiento y aplicaciones

Como sabe, la implementación exitosa de cualquier componente en una aplicación depende de su calidad. Y la calidad es la medida de la precisión que un método de mecanizado puede lograr. En este artículo, leerá sobre algunos métodos de mecanizado de fabricación importantes y comunes que proporcionan ultraprecisión en las dimensiones de los componentes. Entendamos qué significa ultraprecisión:

¿Qué es el mecanizado de ultraprecisión?

Cuando se habla de ultraprecisión, se refiere a la máxima precisión que un método de mecanizado puede alcanzar. ¿Sabe cuál es la tolerancia más difícil de lograr en la fabricación? Profundicemos en ella:

Definición y características clave

El mecanizado de ultraprecisión se puede definir como la herramienta más precisa para lograr tolerancias a nivel micro y nanométrico. Esto se debe a que en este proceso se utilizan máquinas muy avanzadas y operarios altamente capacitados. Estas son algunas características clave importantes que puede considerar:

• Se puede conseguir una tolerancia extremadamente ajustada
• Excelente acabado superficial
• Se pueden fabricar fácilmente piezas complejas
• Equipos y entorno avanzados

En qué se diferencia del mecanizado de precisión convencional

Si se pregunta cuál es la principal diferencia entre el mecanizado convencional y el de ultraprecisión, la respuesta es el contacto físico y el tipo de operación. Puede consultar otras diferencias en la siguiente tabla:

Rangos típicos de tolerancia y acabado superficial

A continuación se muestra la tabla de tolerancia típica frente al acabado de la superficie:

Procesos de fabricación básicos en el mecanizado de ultraprecisión

Si te preocupa qué método usar para tu material, esta sección es para ti. Empecemos:

Microfresado y microtorneado

Te sorprenderá cómo se consigue una tolerancia a nivel micro en componentes muy pequeños como tornillos de relojes o microfluidos, etc.

Rectificado y pulido de ultraprecisión

En metalurgia, a menudo se necesita una superficie de espejo para observar los límites de grano en el microscopio electrónico de barrido (MEB), etc., aunque no se puede decir que se trate de mecanizado de ultraprecisión. Como se mencionó anteriormente, el mecanizado de ultraprecisión (rectificado y pulido) simplemente significa utilizar la herramienta más precisa para lograr tolerancias a nivel nanométrico. Se necesitarán tolerancias tan altas en:

• Óptica
• Lentes de telescopios
• Semiconductores

Precisión vs. Acabado superficial en Maquinado de Precision

Expliquemos cómo la precisión y el acabado superficial están directamente relacionados. Una mayor precisión se refiere a un mejor acabado superficial. Este acabado superficial altamente liso mejora la fiabilidad del componente al reducir la probabilidad de fallos por desgaste y fatiga.

Torneado de diamante de un solo punto

Si te preguntas cuál es la herramienta más avanzada en mecanizado de ultraprecisión, es el “Torneado de diamante de una sola punta”.

La herramienta de fabricación más avanzada para lograr un acabado superficial a escala nanométrica. Esta herramienta consta de un cortador de diamante de una sola punta para lograr una precisión a escala nanométrica y se utiliza en aplicaciones como óptica asférica infrarroja y esférica, entre otras.

Mecanizado láser de microprecisión

Se recomienda utilizar este método de mecanizado cuando la aplicación requiere precisión micrométrica en componentes diminutos. Para eliminar el material, se utiliza un láser.

Selección de materiales para mecanizado de ultraprecisión

Aquí se analizan algunos de los factores críticos relacionados con la selección de materiales:

Factores que afectan el material

La selección del material es el factor más importante en el que puede confiar. Así es como se elige un material para el mecanizado de ultraprecisión:

Dureza y Fuerza

Lo primero y más importante es verificar la dureza y la resistencia del material, ya que estos factores afectan su maquinabilidad. Por ejemplo, el acero con alto contenido de carbono en estado templado es muy duro y frágil, por lo que no es una opción adecuada para el mecanizado de ultraprecisión.

Comportamiento térmico

Es importante verificar el comportamiento térmico, ya que el mecanizado de una pieza genera mucho calor. Si este no se expulsa o se acumula en la pieza con el tiempo durante el mecanizado, afecta gravemente la integridad del material.

Maquinabilidad y endurecimiento por trabajo

Verifique si este material es mecanizable. Como se mencionó anteriormente, el acero con alto contenido de carbono tiene muy poca maquinabilidad. Los metales FCC, como el níquel, presentan fenómenos de endurecimiento por acritud, lo que afecta negativamente al método de mecanizado, ya que se requiere una gran fuerza de corte para mecanizar dicho componente. Esto reduce la vida útil de la herramienta.

Fragilidad y régimen dúctil

Si la pieza es frágil, por ejemplo, hierro fundido, será muy difícil utilizar mecanizado de ultraprecisión. Incluso, el mecanizado de precisión convencional también resulta complicado. (Si va a realizar un proyecto de este tipo, pero no está seguro de qué materiales utilizar, ¡contacte con TUOFA Precision Machining para obtener una solución integral!). Esto se debe a que dichos materiales pueden sufrir fallos catastróficos durante el mecanizado. Un material dúctil, como el aluminio, se mecaniza con mucha facilidad, ya que presenta deformación plástica.

Aleaciones comunes en el mecanizado de ultraprecisión

Permítanos familiarizarle con algunas aleaciones comunes utilizadas para la fabricación de ultraprecisión:

6061-T6 y 6063-T6

Puede utilizar ambas aleaciones de Al según su aplicación. Si busca un mayor límite elástico y dureza, elija la aleación 6061-T6 para mecanizado de ultraprecisión. Para mayor maquinabilidad, acabado superficial superior y excelente resistencia a la corrosión, utilice la aleación 6063-T6.

Cobre OFHC (C10100/C10200)

¿Por qué utilizamos calidades de cobre OFHC para el mecanizado de ultraprecisión? Porque:

• OFHC significa alta conductividad libre de oxígeno
• Conductividad excepcional
• mayor ductilidad y formabilidad

Aceros inoxidables y para herramientas

Material muy común debido a su excesivo uso en todas las aplicaciones debido a un muy buen equilibrio entre resistencia, maquinabilidad y resistencia a la corrosión.

Polímeros de ingeniería

Los polímeros de ingeniería se utilizan principalmente en la industria médica debido a su biocompatibilidad y rentabilidad. Por ejemplo, el PEEK se mecaniza mediante ultraprecisión para fabricar prototipos de implantes de rodilla.

Opciones de materiales para soluciones personalizadas

Debes tener en cuenta estos parámetros antes de elegir un material para el mecanizado de ultraprecisión:

• maquinabilidad
• Conductancia térmica
• Dureza
• Solidez
• Y, en última instancia, la aplicación

Materiales no aptos para mecanizado de ultraprecisión

Analicemos brevemente los materiales que no se pueden utilizar para el mecanizado de ultraprecisión:

Hierro fundido gris

Como sabéis, el acero fundido gris contiene entre un 2.5% y un 4% de C, lo que lo hace muy duro y quebradizo, por lo que no se puede utilizar para mecanizado de ultraprecisión.

Metales en polvo sinterizados

La razón principal por la que no se debe elegir este material para el mecanizado de ultraprecisión es que la sinterización provoca contracción en el producto, lo que genera ligeros cambios en las dimensiones.

Herramientas y equipos para mecanizado de ultraprecisión

Necesitará herramientas y equipos muy avanzados para lograr tolerancias ajustadas a niveles micrométricos o nanométricos. Estas son algunas herramientas y equipos comunes que se utilizan para lograr componentes de ultraprecisión.

Tornos y fresadoras CNC

Puedes ver algunas diferencias importantes en términos de mecanizado de ultraprecisión en la siguiente tabla:

Herramientas de corte y recubrimientos de alta precisión

En caso de mecanizado de ultraprecisión, conviene utilizar estas herramientas y recubrimientos para obtener una mejor respuesta:

• Las herramientas deben tener una buena estabilidad térmica.
• Utilice herramientas que tengan un filo afilado a escala nanométrica
• Para una vida útil más prolongada, utilice recubrimientos avanzados como TiAlN

Fijación y sujeción de piezas

Como sabe, las velocidades de trabajo son altas durante el mecanizado, lo que genera altas temperaturas y vibraciones. Para solucionar estos problemas, considere los siguientes factores:

• Los accesorios deben ser rígidos, es decir, no desviarse.
• expansión térmica más baja posible
• Capacidad de amortiguación de vibraciones
• Sujeción sin tensión de la pieza de trabajo

Consejos para mejorar la calidad en el mecanizado de ultraprecisión

Es posible que surjan diversos problemas durante el mecanizado CNC de ultraprecisión cuando las herramientas operan a altas velocidades. Durante el mecanizado, debido a diferentes problemas, diversos factores afectan la calidad de los componentes, pero se puede mejorar siguiendo estas reglas:

Cómo reducir el desgaste de las herramientas

Es común durante el mecanizado CNC. Cuando las herramientas trabajan a altas velocidades o cuando la parte dura de la pieza queda bajo ellas, estos factores provocan desgaste de la herramienta y, en última instancia, afectan la precisión. Este problema se puede controlar optimizando parámetros de mecanizado como la velocidad, los avances, etc.

Cómo evitar la deformación

Durante el mecanizado, si no se ha creado un entorno adecuado para la expansión y contracción, la pieza se deformará debido al calor acumulado en esa zona. Para evitar la deformación, utilice las siguientes soluciones:

1. Sujeción adecuada
2. Control de la temperatura
3. Gestión de fuerzas de corte
4. Técnicas de amortiguación de vibraciones

Cómo mantener tolerancias estrictas

Una tolerancia ajustada de 0.01 mm no es fácil de mantener en la producción por lotes. Se requiere contar con máquinas avanzadas, operadores altamente capacitados y, posteriormente, software, como CAM, y finalmente técnicas de inspección.

Beneficios del mecanizado de ultraprecisión

Has estado estudiando mucho sobre el mecanizado de ultraprecisión. Estas son las ventajas:

Precisión y repetibilidad superiores

El mecanizado de ultraprecisión garantiza la repetibilidad de la precisión de los componentes en la producción por lotes. Un mecanizado casi perfecto garantiza una mayor vida útil y aplicaciones exitosas.

Bueno para piezas de formas complejas

Se pueden fabricar fácilmente componentes de formas complejas mediante mecanizado de ultraprecisión. Por ejemplo, las cámaras de combustión de una aeronave se pueden fabricar fácilmente mediante mecanizado de ultraprecisión.

Integridad y rendimiento de la superficie

Un acabado superficial superior garantiza la integridad de la superficie y, en última instancia, aumenta el rendimiento de los componentes. Podrá prevenir el desgaste y las fallas por fatiga.

Aplicaciones del mecanizado de ultraprecisión

Permítanos brindarle algunas aplicaciones reales del mecanizado de ultraprecisión en esta sección:

Componentes aeroespaciales y de aviación

¿Sabe qué industria ha establecido los estándares de seguridad más difíciles de cumplir? Pues es la industria aeroespacial. No se pueden fabricar componentes con tolerancias de 0.005 mm o 0.001 mm hasta que se utilice el mecanizado de ultraprecisión. Estos son algunos componentes comunes:

• Cuchillas de turbina
• Inyectores de combustible
• Cámaras de combustión

Sistemas ópticos y fotónicos

Permítanos ofrecerle algunas de las aplicaciones del mecanizado de ultraprecisión en sistemas ópticos y fotónicos:

• Guías de ondas ópticas
• Óptica de forma libre
• Lentes de micromatriz
• Prismas y espejos ópticos basados ​​en polímeros

Es la industria más común en cuanto a mecanizado de ultraprecisión.

Dispositivos médicos e instrumentos quirúrgicos

El mecanizado de ultraprecisión se utiliza ampliamente en la industria médica, por ejemplo:

1. Implantes ortopédicos, incluidos reemplazos de cadera y rodilla
2. Herramientas dentales
3. Prótesis
4. Equipo de diagnóstico

Mecanizado de precisión y soluciones personalizadas

Veamos mecanizados de precisión y soluciones personalizadas:

Co-diseño para DFM

En ocasiones, durante la fabricación, resulta urgente realizar cambios en el diseño para que el componente sea más funcional o rentable para el mecanizado. Esta modificación del diseño del componente durante la fabricación se denomina Codiseño para DFM.

Proceso de mecanizado CNC personalizado

Significa que tienes la libertad de elegir una operación específica o varias a la vez, dependiendo de la eficiencia de producción frente a los requisitos funcionales.

Estos procesos de mecanizado incluyen:

• Fresado de desbaste o torneado
• Semiacabado
• Acabado de mecanizado
• Pulido, etc.

Otras razones pueden ser el material, el acabado superficial requerido o la precisión.

Fijación y referencia personalizadas

Debe saber que, en el mecanizado de ultraprecisión, incluso las tensiones inducidas por los accesorios de sujeción afectan los controles de tolerancia a nivel micrométrico. Por lo tanto, los accesorios y los puntos de referencia se diseñan a medida para evitar que se produzcan tensiones en la pieza durante el mecanizado.

Metrología en proceso

Ya no es necesario inspeccionar los componentes tras la finalización de los procesos de fabricación. Ahora, los sistemas de fabricación avanzados incorporan una función de inspección durante el proceso, también conocida como metrología durante el proceso. Sondas inteligentes o láseres detectan constantemente cualquier error en la pieza durante el mecanizado.

Ruta del prototipo a la producción

¿Crees que pasar del prototipo a la producción de múltiples componentes es un proceso sencillo? Pues no lo es tanto. Un diseño único de prototipo puede dar lugar a un diseño personalizado de utillajes, referencias, sujeciones, optimización de trayectorias de herramientas, etc.

Cómo elegir el socio adecuado para el mecanizado de ultraprecisión

Le informamos que no puede realizar mecanizado de ultraprecisión solo. Necesita un socio que le ayude a afrontar los desafíos del mecanizado de ultraprecisión.

Experiencia comprobada en materiales y piezas

Debe analizar estos aspectos al seleccionar un socio para el mecanizado de ultraprecisión:

• Historial de trayectoria en dichos materiales
• Conocimiento sobre cuestiones específicas del material
• Experiencia con componentes similares

Sistemas de Calidad y Certificaciones

• Busque certificaciones (ISO 9001, AS9100, ISO 1345) según su aplicación
• Registros de calibración de herramientas y equipos
• Compromiso con los controles ambientales

Capacidad de prototipo a producción

¿Cómo encontrar al mejor proveedor de UPM? Si logra una transición fluida de I+D a producción, es el mejor proveedor de UPM. Esta capacidad implica:

• Experto en prototipado
• Fijación y mecanizado flexibles
• Habilidades de optimización de procesos
• Estabilidad de producción comprobada a largo plazo

Conclusión

El mecanizado de ultraprecisión es fundamental si su pieza se va a utilizar en aplicaciones aeroespaciales u ópticas. Necesitará herramientas y equipos muy avanzados para lograr tolerancias micro y nanométricas. ¿Le preocupa dónde elegir el mecanizado de ultraprecisión? En TUOFA estamos para ayudarle. Contamos con las herramientas, los equipos y los operadores de maquinaria más avanzados. Le ofrecemos precisión dimensional micro y nanométrica a precios muy competitivos y plazos de entrega cortos.

Preguntas frecuentes sobre mecanizado de ultraprecisión

¿Qué es el rectificado de ultraprecisión?

El proceso que se utiliza para lograr una tolerancia a nivel micro y nano en el acabado de la superficie se denomina rectificado de ultraprecisión.

¿Cuál es el método de mecanizado más preciso?

1. Mecanizado CNC
2. Fotolitografía

¿Es el mecanizado de ultraprecisión adecuado para la producción en masa?

No principalmente porque la ultraprecisión es un proceso relativamente lento, con ciclos de tiempo tan largos que no son adecuados para la producción en masa.

¿Cómo logra el mecanizado de ultraprecisión una exactitud tan alta?

Así es como el mecanizado de ultraprecisión consigue una exactitud tan alta:

• Diseño de herramientas
• Recubrimientos en las herramientas
• Control ambiental y de procesos, etc.