Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología actuales, la tecnología de mecanizado de microagujeros se ha convertido en una tecnología clave en muchos campos de la industria.
Los equipos miniaturizados exigen microagujeros más pequeños, precisos y rápidos, lo que hace imprescindible su estudio.
Clasificación del procesamiento de microagujeros
En la actualidad, el diámetro del orificio suele ser inferior a 0 ∙ 3 mm, llamado microorificio de diámetro 0 ∙ 3 ~ 1 mm, llamado orificio pequeño.
Este artículo revisa los métodos de mecanizado de microagujeros y sus aplicaciones, incluyendo técnicas de perforación, estampado , electroerosión (EDM), mecanizado electroquímico (ECM), ultrasonidos, láser y haces de partículas.
Los investigadores dividen los métodos de procesamiento de microagujeros en procesamiento mecánico y especial (Tabla 1).
El mecanizado de microagujeros emplea perforación y métodos como la electroerosión, el láser y los ultrasonidos, elegidos en función del material, la precisión, la rugosidad y el tamaño del agujero.
El mecanizado es más barato y más versátil; el procesamiento especial es costoso, por lo que el mecanizado sigue siendo preferido cuando es adecuado.
Proceso mecanico
Perforación de microvías
El mecanizado tradicional elimina material con una herramienta para dar forma a las piezas y es ampliamente utilizado.
El mecanizado de microvías comúnmente utiliza la perforación como método de mecanizado.
La perforación proporciona alta productividad, sin límites de conductividad y un mecanizado preciso de agujeros pequeños.
El mecanizado de microagujeros se basa en la perforación, ampliamente utilizada en electrónica e instrumentos de precisión.
Pero la perforación de agujeros pequeños todavía presenta los siguientes problemas:
- A medida que el diámetro de la broca disminuye, a los fabricantes les resulta cada vez más difícil fabricarla.
Los diámetros de broca más pequeños reducen la rigidez y la resistencia, aumentando el riesgo de rotura por fuerzas o vibraciones.
- El espacio para las virutas es pequeño, especialmente en agujeros profundos, lo que dificulta la descarga de las virutas y daña la broca.
- La alta temperatura de la broca debido a una mala disipación del calor acorta su vida útil.
- La perforación de agujeros pequeños y profundos requiere velocidades superiores a 10,000 XNUMX rpm y un error mínimo del husillo.
- El procesamiento de materiales de alta dureza es más difícil.
Los problemas técnicos en la perforación de agujeros pequeños se pueden mejorar mediante maquinaria, tecnología y herramientas.
Los motores y husillos de alta velocidad de las marcas suiza Fisher y francesa Forest-line aumentan la velocidad de perforación de microagujeros a 180,000 rpm.
Los nuevos husillos y mecanismos de alimentación permiten realizar taladros de microagujeros más pequeños y eficientes.
Los cojinetes magnéticos y flotantes de aire mejoran aún más la precisión de rotación del husillo.
Por ejemplo, el husillo de precisión producido por NSK en Japón tiene una precisión rotatoria de 2 μm.
Algunos utilizan presión dinámica sobre el taladro para aumentar la eficiencia y la velocidad de perforación.
Las brocas, los orificios guía y las perforaciones escalonadas evitan roturas y mejoran la vida útil y la precisión.
Optimizar la velocidad de corte, el avance y el enfriamiento es un foco de investigación actual clave.
Los avances de la herramienta mejoraron los microtaladros, permitiendo diámetros de 30 μm y 60 μm de profundidad (Yoshitomo Electric).
La empresa también produce una broca de carburo de 0 mm con una profundidad máxima de mecanizado de 2d=10 mm.
Perforar pequeños agujeros
En comparación con la perforación, la perforación de agujeros pequeños es más adecuada para procesar una gran cantidad de agujeros pequeños en la placa.
La perforación de microvías se caracteriza por:
Alta productividad. En producción en masa, su costo de producción es mucho menor que el de la perforación.
Larga vida útil del troquel debido al procesamiento lento fuera de la estabilidad del tamaño del orificio.
Cuando el diámetro del orificio es demasiado pequeño para un espesor de placa determinado, la rigidez y la resistencia limitadas de la matriz impiden la perforación.
El punzonado utiliza un punzón cilíndrico y una matriz correspondiente para presionar y cortar un orificio pasante en una placa bajo fuerza externa.
Pero cuando el tamaño del punzón y la matriz negativa es muy pequeño, el problema de alineación de las dos herramientas se vuelve muy urgente.
WEDG da forma a un microeje para alinearlo, se utiliza en micro EDM para mecanizar la matriz y luego se le da nueva forma para convertirlo en un punzón.
El punzón y la matriz se mecanizan juntos sin reposicionamiento, lo que garantiza una alineación precisa de la línea central para el punzonado de la placa.
Debido a que el cabezal de perforación puede desplazarse, se necesita una guía LM de alta precisión con sensores para detectar y corregir la posición.
En la actualidad, la perforación de agujeros pequeños puede procesar agujeros pequeños con un diámetro de 25 μm.
La investigación sobre la perforación de microagujeros se centra en mejorar la resistencia, la rigidez, la guía y la protección de la matriz.
Lapeado y acabado con flujo abrasivo de agujeros pequeños
El mecanizado de flujo puede acabar microagujeros independientemente de la dureza del material, incluidas formas especiales.
El rectificado tiene muchos años de historia y se utiliza ampliamente para el acabado de orificios.
El mecanizado de flujo abrasivo pule superficies mediante el rectificado con abrasivos viscosos presurizados en un flujo alternativo.
Este método elimina rebabas, pule varios agujeros y elimina capas endurecidas de otros procesos.
Este método puede mejorar significativamente la precisión del mecanizado y la calidad de la superficie con una rugosidad superficial Ra de hasta 5 nm.
El mecanizado por flujo abrasivo termina los microagujeros axialmente, lo que reduce la resistencia del fluido y lo hace ideal para dispositivos microfluídicos.
Los operadores suelen utilizar este método en combinación con otros métodos de mecanizado de microagujeros, como el mecanizado electrolítico.
Procesamiento especial
En este método de procesamiento, los materiales compuestos se eliminan utilizando uno o más tipos de energía.
El mecanizado especial de agujeros microscópicos se puede dividir en dos categorías:
Una clase utiliza herramientas sólidas como EDM, electrólisis y procesamiento ultrasónico, donde las herramientas sólidas sirven como electrodos o herramientas.
Otro tipo utiliza rayos de alta energía como láseres, electrones o iones para un microprocesamiento preciso y sin herramientas.
Mecanizado por electroerosión
La electroerosión es un método de mecanizado que utiliza energía eléctrica directamente.
El proceso utiliza pulsos de chispa entre la herramienta y la pieza de trabajo para grabar el metal mediante calor alto localizado.
El mecanizado de microagujeros mediante electroerosión incluye dos métodos: perforación y electroerosión de alta velocidad.
Estos y otros métodos de procesamiento en comparación con el procesamiento de microagujeros tienen ciertas ventajas:
- Puede procesar cualquier material conductor independientemente de su resistencia o dureza.
- El método puede procesar superficies inclinadas de agujeros ciegos, agujeros profundos, agujeros inclinados y agujeros con forma.
- Con una fuerza de corte mínima, las herramientas necesitan menos resistencia y rigidez para procesar microagujeros ≤ 10 μm.
La perforación con EDM presenta problemas, principalmente mala precisión del orificio y mala calidad de la superficie.
Sólo se pueden procesar materiales conductores; los aislantes no conductores como los PCB, no.
Además, la preparación de los electrodos es difícil y la eficiencia del procesamiento es baja, lo que limita su uso generalizado.
Los investigadores se centran en tres direcciones principales en el mecanizado de microagujeros mediante electroerosión.
- Yamazaki et al. desarrollaron electrodos autoconformados que mejoran la preparación y permiten el procesamiento de orificios con forma.
Takahata et al. en Japón utilizaron la tecnología LIGA para producir en masa electrodos microfabricados.
Esta tecnología permite el procesamiento de matrices de electrodos de cobre de 20 μm y matrices de microagujeros de 30 a 32 μm.
Algunos aumentan la velocidad de la electroerosión hasta diez veces utilizando electrodos rotatorios huecos y fluido a alta presión, logrando relaciones de profundidad superiores a 10.
- Los investigadores combinan métodos para crear técnicas de procesamiento más eficientes.
Como la formación de la tecnología EDM ultrasónica combinada con energía ultrasónica;
HungSungLiu combinó la electroerosión con el rectificado por vibración de alta frecuencia, cortando orificios con una rugosidad de entre 2.12 μm y 0.85 μm.
La tecnología EDM ultrasónica mejora la eficiencia y la calidad en el mecanizado de agujeros perfilados.
- Investigación sobre máquinas de electroerosión especializadas.
Los países desarrollados han aplicado la tecnología de electroerosión microfina en la industria y el comercio.
Empresas como Matsushita Seiki, Charmilles y McWilliams ofrecen productos maduros.
El equipo de Matsushita Seiki puede procesar de forma estable microagujeros de 5 μm.
El Instituto Harbin de China y la Universidad de Nanjing avanzaron en la micro-EDM; Harbin hizo agujeros de 8 μm.
Procesamiento ultrasónico
El procesamiento ultrasónico utiliza una herramienta vibratoria para impactar la superficie de la pieza de trabajo, triturando abrasivos para alimentar y mecanizar pequeños agujeros.
Las siguientes características describen el procesamiento ultrasónico:
- Adecuado para materiales duros, frágiles y no conductores como vidrio, cerámica, cuarzo, grafito, piedras preciosas y diamantes.
- Se puede procesar un orificio con una precisión de procesamiento de 1 μm y una rugosidad de superficie de Ra0 ∙ 03 ~ 0 ∙ 10 μm.
El impacto abrasivo local minimiza la fuerza de corte, el calor y la tensión, evitando deformaciones y daños.
- Diámetro mínimo del orificio hasta ● 10 μm con una relación profundidad-diámetro de 10 ~ 20.
- La estructura de la máquina es simple y de bajo costo.
Desventajas:
- Las herramientas microultrasónicas son difíciles de preparar, se desgastan fácilmente y afectan la precisión del orificio.
- En el procesamiento de ciertos materiales metálicos, la velocidad de procesamiento es muy baja.
- El procesamiento microultrasónico tiene menor amplitud, potencia y velocidad que el ultrasonido convencional.
El procesamiento ultrasónico mecaniza con precisión pequeños orificios en metales no duros y frágiles como vidrio, moldes de diamante y orificios con forma.
La combinación del mecanizado ultrasónico con otros métodos crea nuevas técnicas de procesamiento.
Por ejemplo, la tecnología EDM ultrasónica introducida anteriormente.
La combinación de vibración ultrasónica con perforación de microagujeros constituye una dirección de investigación prometedora.
La investigación sobre equipos de mecanizado ultrasónico eficientes y prácticos también es un foco de desarrollo clave.
La Universidad de Tokio desarrolló microherramientas que resuelven problemas de sujeción y rotación, permitiendo realizar orificios cerámicos de 5 μm.
La máquina ULTRASONIC de DMG proporciona 48,000 pulsos/s, consiguiendo una superficie de Ra0.2 μm y una productividad 5x.
Su programa flexible permite el mecanizado y fresado ultrasónico de materiales superduros como cerámica, vidrio y carburo.
La Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing desarrolló una máquina de perforación ultrasónica para agujeros pequeños adecuados para la producción.
Procesamiento laser
La perforación láser se basa principalmente en la ablación fototérmica y la ablación fotoquímica.
La ablación fototérmica utiliza un láser de alta energía para calentar rápidamente el material, provocando su fusión y evaporación para formar poros.
La ablación fotoquímica utiliza láseres UV para romper y eliminar moléculas orgánicas, formando pequeños agujeros.
El procesamiento láser de pequeños agujeros se caracteriza por:
- La dureza del material no afecta la perforación; la mayoría de los materiales se pueden perforar rápidamente con zonas mínimas afectadas por el calor.
- La alta capacidad de procesamiento permite realizar cientos de agujeros por segundo y una fácil operación automatizada.
- Los rayos láser enfocados pueden procesar microagujeros mayores de 1 μm con relaciones de profundidad superiores a 50.
- Este proceso sin contacto es adecuado para piezas delgadas, elásticas y de difícil acceso.
- Sin desgaste de herramientas, contaminación del material ni ruido, lo que lo hace ecológico.
Más costoso que los métodos EDM, ultrasónicos y electrolíticos, el equipo produce orificios más rugosos, menos redondos y propensos a ensancharse.
La potencia de salida y el enfoque limitan el procesamiento a pequeños orificios en placas delgadas.
El elevado coste de los equipos de punzonado láser limita su aplicación.
Para abordar los problemas del procesamiento láser, muchas empresas desarrollan centros de procesamiento láser especializados.
El láser DMG DML ofrece una potencia de 10 a 20 kW, una rugosidad de Ra1 μm, una eliminación de 25 mm³/min y paredes laterales verticales controladas ópticamente.
Este centro de procesamiento láser puede procesar microagujeros con un diámetro mínimo de 5 μm y una profundidad de hasta 20 mm.
Los investigadores consideran que el mecanizado de microvías mediante láser es una tecnología en proceso de maduración y muy prometedora.
Países tecnológicamente avanzados como Estados Unidos, Japón y Alemania adoptan cada vez más el procesamiento de microagujeros con láser.
Procesamiento electrolítico
El mecanizado electrolítico utiliza la disolución anódica electroquímica para procesar las dimensiones del metal.
El mecanizado de microagujeros utiliza la pieza de trabajo como ánodo y un cátodo tubular o en forma de varilla que coincide con la sección transversal del orificio.
Gire el cátodo a una determinada velocidad para mejorar la precisión del mecanizado al mecanizar agujeros redondos.
El mecanizado electrolítico de microagujeros se caracteriza por lo siguiente:
- Puede procesar cualquier material conductor independientemente de su resistencia, dureza, punto de fusión o propiedades térmicas.
- En comparación con la EDM, la alta productividad y el bajo valor de rugosidad superficial de hasta Ra0∙2 ~ 0∙8μm.
- Sin tensiones residuales ni deformaciones en la superficie mecanizada, sin rebabas ni franjas en el orificio.
SeHyun Ahn et al. en Corea produjeron agujeros de 8 μm y 12 μm de alta calidad en acero inoxidable utilizando pulsos de nanosegundos.
La fabricación de cátodos de orificios pequeños es compleja, menos precisa y la corrosión limita el equipo más que otros métodos.
Procesamiento de haz de electrones
El procesamiento con haz de electrones utiliza electrones de alta energía enfocados al vacío para fundir, vaporizar y eliminar material instantáneamente.
Como el haz de electrones se puede enfocar en un punto muy pequeño, se puede utilizar para hacer agujeros pequeños.
Sus características de procesamiento:
- Alta resistencia, alta dureza, alta tenacidad, alto punto de fusión de materiales metálicos o no metálicos.
- Los haces de electrones pueden enfocarse a 0.1 μm o por debajo de 0.01 μm (3 nm).
- Con una densidad de potencia de 10⁶–10⁹ W/cm², el material se evapora instantáneamente sin causar tensión ni deformación.
- La fuerte capacidad de procesamiento y la alta productividad pueden realizar 50 agujeros de ●0 mm por segundo en la placa de acero con un espesor de 4 mm.
- Las máquinas procesan agujeros con forma, cónicos y curvos con diversas curvaturas.
- El procesamiento al vacío evita la oxidación, lo que lo hace ideal para materiales semiconductores oxidables y ultrapuros.
Su elevado coste y la necesidad de equipos de vacío especializados limitan su uso en producción.
El procesamiento del haz de electrones es esencial para la microelectrónica, ya que permite crear agujeros de menos de 3 μm y muestra un gran potencial.
Mecanizado de vigas Lon
El procesamiento con haz de iones expulsa los átomos de la superficie para su eliminación capa por capa a escala nanométrica.
Las características del procesamiento por haz de iones son las siguientes:
- Los iones de argón en el grabado por haz eliminan capas atómicas por segundo, lo que permite una microfabricación de altísima precisión.
- El control de la densidad y la energía del haz permite la creación enfocada y escaneada de orificios redondos y con forma.
Puede procesar tanto agujeros pasantes como ciegos, con un control preciso sobre la profundidad del agujero ciego.
- El procesamiento con haz de iones al vacío evita la oxidación, ideal para semiconductores oxidables y de alta pureza.
- Con baja tensión y alta calidad, se adapta a piezas de trabajo con baja rigidez.
Se requiere un conjunto completo de equipos especializados y un costoso sistema de vacío.
Los fabricantes utilizan principalmente el procesamiento de microporos con haz de iones en la fabricación de circuitos integrados de semiconductores.
Procesamiento compuesto
El procesamiento compuesto combina dos o más métodos para crear nuevas técnicas.
Combina múltiples ventajas de procesamiento, haciendo del procesamiento compuesto una tendencia de investigación actual.
Los compuestos más comunes incluyen microperforación ultrasónica, electrólisis-pulido, electroerosión ultrasónica y métodos láser.
Estos métodos combinan dos procesos, como son la electroerosión por ultrasonidos y la electroerosión por electrolisis.
El método utiliza perforación láser o EDM seguida de acabado EDM o ultrasónico para mejorar la precisión y la calidad de la superficie.
Conclusión
El rápido desarrollo de la tecnología de microagujeros exige mejoras constantes en el procesamiento.
Un estudio más profundo de microagujeros permite obtener mejores herramientas, perforaciones más avanzadas y un procesamiento más económico y preciso.
Cada método de microagujeros tiene características y aplicaciones únicas.
Los investigadores están aumentando y mejorando los métodos para satisfacer la demanda de agujeros pequeños.
Cada método debe mejorar la precisión del mecanizado y la microfineza.
El procesamiento compuesto aumenta la velocidad, la precisión y la calidad de la superficie, equilibrando la precisión y la productividad.
PREGUNTAS MÁS FRECUENTES:
El mecanizado de microagujeros se refiere a procesos de fabricación que crean agujeros de diámetro inferior a 1 mm, generalmente inferior a 0.3 mm. Estas técnicas son esenciales para dispositivos miniaturizados en campos como la industria aeroespacial, la electrónica, los equipos médicos y la microfluídica, donde se requiere alta precisión y características finas.
Los métodos de mecanizado de microagujeros se dividen en dos categorías principales:
Procesamiento mecánico , como taladrar y punzonar.
Procesamiento especial, incluyendo mecanizado por EDM, ECM, láser, ultrasónico, por haz de electrones y por haz de iones.
El método elegido depende de factores como el tipo de material, el tamaño del orificio, la rugosidad de la superficie y el volumen de producción.
Los desafíos incluyen la rotura de herramientas debido a la reducción de la rigidez, dificultades para la extracción de viruta, sobrecalentamiento y desgaste. Las soluciones incluyen husillos de alta velocidad (hasta 180,000 r/min), sistemas de alineación dinámica de herramientas, casquillos guía, recubrimientos avanzados y microbrocas de hasta 30 μm de diámetro.
El microperforado es más eficiente para la producción en masa de placas delgadas, ofreciendo menores costos y una mejor consistencia dimensional. Utiliza matrices y punzones alineados con precisión, pero está limitado por el espesor del material y la rigidez de la herramienta cuando los agujeros son extremadamente pequeños.
El mecanizado por flujo abrasivo utiliza un fluido presurizado con abrasivo para pulir superficies internas y microagujeros. Elimina rebabas y mejora el acabado superficial hasta valores Ra de hasta 5 nm. Es especialmente útil para el acabado de geometrías internas de difícil acceso en componentes microfluídicos y biomédicos.
La electroerosión utiliza descargas de chispa entre un electrodo y la pieza de trabajo para erosionar el material. Es ideal para materiales conductores, independientemente de su dureza, y puede producir orificios complejos de hasta 10 μm. Entre los avances se incluyen la electroerosión de alta velocidad y la electroerosión asistida por ultrasonidos para obtener orificios más profundos y precisos.
El mecanizado ultrasónico destaca por la producción de microagujeros en materiales frágiles, duros y no conductores, como el vidrio y la cerámica. Utiliza vibraciones de la herramienta y abrasivos para un corte de baja tensión y baja temperatura. Permite obtener agujeros de 10 μm con un excelente acabado superficial (Ra 0.03-0.1 μm), pero con velocidades más bajas para metales.
El taladrado láser permite el mecanizado de microagujeros a alta velocidad y sin contacto en la mayoría de los materiales, sin verse afectado por la dureza. Puede producir agujeros de 5 μm con relaciones de profundidad superiores a 50. Si bien son costosos, los láseres ofrecen una precisión y un potencial de automatización inigualables, ideales para componentes electrónicos, médicos y aeroespaciales.
El mecanizado por haz de electrones crea agujeros ultrapequeños (<3 μm) con mínima tensión, ideal para semiconductores. El mecanizado por haz de iones elimina capas atómicas para obtener agujeros ultraprecisos a escala nanométrica, utilizados frecuentemente en circuitos integrados. Ambos requieren sistemas de vacío y son adecuados para aplicaciones de alta tecnología.
El mecanizado de materiales compuestos combina técnicas (p. ej., electroerosión con ultrasonidos o láser con electromecánica) para mejorar la precisión, la velocidad y la calidad superficial. Estos métodos híbridos abordan las limitaciones de los procesos individuales, lo que los hace ideales para aplicaciones complejas de microagujeros de alta precisión.
Solomon Yang es un profesional de la industria manufacturera con amplia experiencia en la fabricación de componentes electrónicos, mecánicos e industriales. Tras haber ocupado diversos cargos en empresas manufactureras estadounidenses y taiwanesas, ha desarrollado un profundo conocimiento de los procesos de fabricación, la gestión de la producción, el control de calidad y las operaciones de la cadena de suministro global.
Con amplia experiencia en desarrollo de negocios, operaciones de ventas, comercio internacional, gestión de relaciones con clientes y soporte de proyectos de ingeniería, Solomon combina el conocimiento técnico con la estrategia comercial para ofrecer soluciones de fabricación innovadoras y rentables. Le apasionan las tecnologías de fabricación avanzadas, la mejora de procesos y el desarrollo profesional continuo, y está firmemente comprometido con la creación de valor para clientes y socios en todo el mundo.
