Cuatro proyectos de investigación desvelan qué podrán hacer las máquinas en un futuro inmediato

Cada vez es mayor el número de casos en que las máquinas herramienta se utilizan para microestructuras en componentes cuyas dimensiones medias frecuentemente no encajan en la denominada categoría “micro”. El tema preocupa a los profesionales del sector que ya han desarrollado cuatro proyectos de investigación que desvelan qué podrán hacer las máquinas-herramienta en un futuro inmediato.

Hans-Jörg Albrecht, de Wissner GmbH: "Hemos estado activos durante muchos años en el mecanizado de alta velocidad y alta precisión. Este proyecto nos ayudará a acercar estas dos disciplinas que son básicamente incompatibles.”

Joachim Findeklee, Röders GmbH: "Las guías hidrostáticas y los motores directos lineales hacen posible el fresado y rectificado en una única máquina”

Jochen Schönfeld, Hyprostatik Schönfeld GmbH: "Los hidrostáticos se han vuelto estándar para máquinas de ultra precisión, para superficies modernas y rectificadoras cilíndricas, y se aplican en cada vez más tornos y fresadoras

Desde hace un año aproximadamente, se han desarrollado cuatro proyectos relacionados con la mecanización de precisión de 2µm o menos en piezas que no pueden considerarse en la categoría micro. Estos estudios son HiDynMolder, MechaSpeed, SonicPrecision y Microstruct.

Supervisados por la división de PTKA Production and Manufacturing Technologies (PFT), el Centro de Investigación Karlsruhe, como empresa patrocinadora del proyecto, estos proyectos persiguen diversos objetivos, todos de relevancia práctica estricta. Después de todo, cada proyecto se acompaña de varias compañías que integran su experiencia práctica obtenida durante muchos años. Los objetivos de HiDynMolder y MechaSpeed son máquinas-herramienta para la fabricación de herramientas y moldes que consiguen esencialmente mayores precisiones geométricas y calidades de superficie superiores que las de las máquinas actuales.

SonicPrecision persigue el mecanizado de alta precisión de componentes de simetría axial de materiales muy frágiles, y Microstruct quiere alcanzar el mecanizado de estructuras ultra finas y duplicadas en rodillos de estampación de grandes dimensiones.

El proyecto multidisciplinar HiDynMolder en el que las compañías participantes e institutos han contribuido con sus propios elementos, es mejorar un centro de mecanizado de cinco ejes para la fabricación flexible de microcomponentes y microestructuras. Este proyecto desarrolla no sólo la actual máquina con una gran dinámica y posiciones de precisión inferiores a 1 µm, sino también un husillo de rotación de alta frecuencia con una velocidad máxima de 250.000 rpm y un máximo doble de la excentricidad en engranajes de 0.001 mm. Además, existe un módulo de mecanizado láser con un rayo de sección estándar de 2.5 µm y un sensor de medición óptico para escaneado por puntos con resoluciones axiales y laterales más finas que 30 nm y ±0.5 µm, respectivamente.

La industria necesita un centro de mecanizado semejante para la fabricación de moldes para la producción en masa de productos de micro ingeniería, por ejemplo cavidades de molde microestructuradas en micromoldes de inyección o micropunzones de estampación. También la producción a media y pequeña escala de productos de ingeniería de precisión y microproductos es posible en una única máquina. Las piezas típicas son componentes micromecánicos para cirugía artroscópica. La máquina puede ser utilizada para la fabricación de componentes para microsistemas complejos también (por ejemplo microrreactores, micromezcladores, microactuadores, microchips bioanalíticos, etc.).

Por otra parte, el centro de mecanizado HiDynMolder se ajusta a estructuras en el rango micrométrico- por ejemplo para el mecanizado preciso de superficies o elementos funcionales de superficie en microcomponentes tales como módulos optoelectrónicos acoplados para microsensores híbridos.

Estos típicos campos de aplicación tienen una gran relevancia económica. Hans-Jörg Albrecht de la compañía Rolf Wissner que coordina el proyecto, está convencido de lo siguiente: “Hemos estado activos en lo que se refiere a mecanizado de alta precisión y alta velocidad desde hace mucho tiempo. Este proyecto nos ayudará a aproximar estas dos disciplinas que son básicamente incompatibles con cada una”. La solución se basa en fresadoras de alta precisión que combinan HSC con herramientas de microfresado y microrrectificado. En detalle, los componentes responsables son ejes de máquinas altamente dinámicas, un husillo de alta frecuencia para micromecanizado y un controlador rápido. En la conclusión del proyecto, se espera que el centro de mecanizado HiDynMolder alcance precisiones de componentes de ±0.5 µm en aleaciones de acero con un máximo de dureza de 64 HRC. De los módulos de procesos integrados “mecanizado láser de material” y “captación óptica de estructuras” los partners del proyecto esperan mejoras de los sistemas de micromecanización disponibles hasta la fecha con respecto a las dimensiones estructurales mínimas que se pueden lograr, tolerancias de fabricación y las calidades superficiales. Los primeros prototipos estuvieron disponibles ya desde la pasada edición de la EMO 2005.

Un cabezal basculante como los utilizados hoy en una fresadora Wissner HSC. El proyecto HiDynMolder utilizará la tecnología HSC hasta nuevas dimensiones, por ejemplo con un husillo rotatorio de alta frecuencia que alcanza una velocidad máxima de 250.000 rpm.

Ejemplo de pieza mediante la combinación de fresado y rectificado

La motivación del proyecto MechaSpeed se alimenta por los constantes incrementos de la demanda por mejorar los plazos de entrega y las calidades en la fabricación de herramientas y moldes, más concretamente la mayor rapidez y precisión del mecanizado 3D de superficies complejas.

Las guías hidrostáticas con accionamientos especiales están libres de desgaste y, en parada, libres de fricción.

La máquina que se proyecta se dirige al desarrollo y la combinación del fresado HSC y punteado rectificado para reducir los valores RA de los actuales 0.2 µm posibles en aceros templados para moldes a menos de 0.1 µm y mejorar la precisión del trabajo, incluso con piezas más grandes, de 10 µm a menos de 5 µm.

En el campo del fresado de HSC, Röders GmbH, de Soltau, se ha comprometido a supervisar este proyecto al que, además, varios proveedores de piezas del sector de la máquina herramienta están aportando su know how. El objetivo de este proyecto es la optimización de todos los subsistemas revelantes en la máquina-herramienta. Esta optimización incluye por ejemplo, el desarrollo del husillo principal que es útil para los procesos de fresado y rectificado y sobrepasa por mucho el rendimiento de los husillos disponibles en la actualidad.

Además, los ejes de alimentación de accionamiento directo están pensados para facilitar considerablemente los resultados de mecanización mediante mejoras en el diseño del motor y el hardware del controlador y la aplicación de estrategias innovadoras del controlador. Los innovadores diseños y consideraciones a materiales alternativos son para optimizar el diseño de la máquina

Joachim Findeklee, responsable de desarrollo de máquinas HSC de Röders, explicó: “En 2003 Röders presentó una máquina de HSC fresadora equipada con guías hidrostáticas y motores directos lineales para alcanzar el mayor rendimiento posible. El proyecto MechaSpeed es una continuación consistente de esta tecnología”.

En el proyecto SonicPrecision los partners tienen como objetivo alcanzar las máximas calidades de contornos y superficies, esta vez, sin embargo, en el campo del torneado de materiales duros. Las cerámicas y especialmente los aceros endurecidos tienen que ser acabados en una alta precisión con diamantes monocristalinos extremadamente afilados. Antes, estos materiales tenían que ser creados si tenían que presentar las tolerancias requeridas, superficies y concentricidades – un proceso extremadamente largo.

El proyecto multidisciplinar SonicPrecision para desarrollar un torno para materiales duros está dividido en dos partes. El primero incluye el crecimiento considerable de la precisión de un torno de serie para la aplicación, integrando guías hidrostáticas, accionamientos especiales y motores de husillo. La segunda parte consiste en una unidad de herramientas asistida ultrasónicamente, en este caso un oscilador instalado debajo del soporte de la herramienta y emitiendo vibraciones ultrasónicas que levanta la herramienta de diamante mecanizadora unos micrometros a lo largo de la dirección del alimentador por encima de las 40.000 veces por segundo. Este reducido tiempo de contacto permite un mejor enfriamiento de la herramienta y descarta prácticamente su desgaste. Además, la afinidad entre el contenido de carbono de la pieza y la herramienta de diamante no puede desarrollar tal efecto destructivo cuando se mecanizan los aceros.

Si las piezas de materiales duros torneados deben presentar la máxima concentricidad, mínimas tolerancias y superficies óptimas, el torno debe adaptarse. Jochen Schönfeld, director general de Hyprostatik Schönfeld GmbH en Göppingen y jefe del proyecto SonicPrecision, está seguro de cuál es la solución ideal: “Las guías hidrostáticas con accionamientos especiales hidrostáticos no se desgastan y, cuando son estacionaras, no soortan fricción. Consecuentemente, los carros pueden posicionarse dentro de ±0.1 µm, y eso durante años. Además presentan mejores propiedades de amortiguación que hacen posible la alta calidad de la superficie y concentricidad. Al mismo tiempo, el aceite hidrostático mantiene la máquina a una temperatura constante y reduce las pérdidas de calor. Ese es el motivo por el que los hidrostáticos son ya un estándar para máquinas de ultra precisión, justo para rectificadoras modernas de superficies y cilíndricas. Además se incluye en cada vez más en tornos y fresadoras.

Además, el proyecto SonicPrecision utiliza un nuevo husillo motorizado hidrostático con un eje hueco que promete a los partners del proyecto la concentricidad óptima con cargas elevadas y con un calentamiento bajo.

Jochen Schönfeld explicó: “Sin duda, los husillos con rodamientos hidrostáticos producen una mejor concentricidad en la pieza. Nuestro programa incluye ahora husillos hidrostáticos para máquinas rectificadoras que generan concentricidades de 0.1 µm.

Las alternativas en rodamientos a bolas pueden alcanzar sólo cerca de un 1 µm a largo plazo.

Herramienta de diamante monocristalino para estructuras de reflectores

El objetivo del proyecto multidisciplinario Microestruct es una máquina para el mecanizado de ultra precisión de cilindros de laminado de gran tamaño - hasta 600 mm en diámetro y 2.000 mm de longitud- usados para la fabricación de rodillos de estampación para la producción en masa a bajo coste, continuada y repetitiva de superficies con dimensiones de patrón de 5 a 150 µm. Tales láminas son productos que disfrutan de una creciente demanda no registrada hasta ahora, tanto en la fabricación experimental de aeronáutica con estructuras superficiales especiales ("sharkskin”) de menor fricción y por lo tanto menor consumo de fuel, como en la industria de la construcción, que promete condiciones de vida más acogedoras gracias a las películas de las ventanas que permiten direccionar la entrada de luz.

Pero tales películas son económicas sólo en producciones continuas, que necesitan rodillos microestructurados de diámetro largo. Para su fabricación lo ideal es un mecanizado de ultra precisión con cuchillas geométricamente predefinidas. El diamante natural como material cortante produce tamaños de patrón de menos de unos pocos micrometros en superficies que presentan una dureza Ra de menos de 10 nm.

El supervisor del proyecto Michael Strobel, de la empresa LT Ultra-Precision Technology GmbH (Herdwangen-Schönach) está muy familiarizado con los problemas: “Fabricamos superficies ópticas en metales no ferrosos y el proyecto Microstruct nos da a nosotros y a otros especialistas la posibilidad de eliminar juntos los problemas encontrados en el sector. Un desafío al que hace frente nuestro trabajo es la magnitud de los rodillos que tenemos que mecanizar. Hasta la fecha no ha sido posible mecanizar microestructuras en áreas grandes, por lo que se debe crear un nuevo concepto de máquina. El resultado es una nueva máquina de ultra precisión que integra tres ejes lineales y un eje rotatorio. Las altas rigideces y las buenas propiedades amortiguadoras se obtienen al aplicar diseños hidrostáticas tanto a las guías para los ejes lineales como a los rodamientos de los rodillos. Los carros son conducidos por motores lineales. Una opción alternativa es un eje de dinámica muy elevada , también denominado sistema servo de herramienta rápida, que puede asegurarse al eje x en lugar del soporte fijo de la herramienta cuando se mecanizan microestructuras axisimétricas..

Rodillo de pruebas en la división Perspex de Degussa: un posible uso de estas microestructuas podría incluir la deflección de la luz.

El elemento central para asegurar la calidad es un sistema de medición de superficie integrado en el control de la máquina. De acuerdo al tamaño de las piezas y la precisión micrométrica requerida, la máquina se ajusta con un sistema de medición 3D confocal integrado para caracterizar las microestructuras mecanizadas. Los esperados ciclos de alta mecanización necesitan cambios de herramienta automáticos y calibraciones de herramienta asistidas por cámara que deben satisfacer los requerimientos de extrema precisión de esta tecnología de ultra precisión (precisión angular 0,5 segundos; precisión posicional 1 µm). El sistema de medición de superficie inicia el cambio automático de herramienta cuando la calidad de la superficie no alcanza los requerimientos.