Microbewerking:technieken, kansen en uitdagingen

Microbewerking is big business en zal de komende jaren groeien naarmate de industrie kleinere en complexere onderdelen vereist. Maar wat betekent de term eigenlijk, en wat is het verschil met de 'macrobewerking' die elke dag in machinewerkplaatsen over de hele wereld wordt uitgevoerd? Dit is wat u moet weten.

Of het nu voor de medische industrie, de luchtvaartelektronica of de auto-industrie is, microbewerking is big business. En het staat op het punt nog veel groter te worden, volgens een rapport van november 2019 van onderzoeksbureau The Insight Partners.

Met een verwachte waarde van 5,48 miljard dollar in 2027, zal de wereldwijde markt voor microbewerkingen de komende jaren naar verwachting groeien tot bijna het dubbele van het niveau van 2018.

Zoals de meesten in de branche definieert Jake Rutherford, onderzoeks- en ontwikkelingsingenieur bij KYOCERA SGS Precision Tools Inc., microbewerking als elk onderdeel of onderdeel dat gereedschap vereist dat kleiner is dan 1/8-inch of 3 millimeter in diameter.
 

Het is niets nieuws, legt hij uit. De eerste toepassing voor microbewerking was het maken van horloges, maar omdat technologie in de loop der jaren kleinere en nauwkeurigere componenten heeft opgeleverd, dekt de term nu een breed scala aan industrieën, onderdelen en materialen. Dit omvat allerlei sensoren, hartpompen en ademhalingsbewakingsapparatuur, componenten voor de ruimtevaart- en auto-industrie, elektronenmicroscoopaccessoires, microfluïdische apparaten en zelfs veel van de onderdelen in uw smartphone.

De materialen die worden gebruikt om deze componenten te maken, bestrijken ook een breed scala, met roestvrij staal en legeringen voor hoge temperaturen die vrij algemeen zijn, evenals polymeren zoals PEEK, PTFE en POM.

"Er is veel materiaaloverlap tussen industrieën, daarom moeten winkels op zoek naar microbewerkingsgereedschappen die materiaalspecifiek zijn in plaats van gereedschappen die zijn ontworpen voor een specifieke markt of toepassing", zegt Rutherford.

Duimregels voor microbewerking 

Ongeacht de werkstukgrootte blijven de algemene principes van bewerking echter hetzelfde. Wat anders is, is het versterkte effect dat niet-optimale toepassingsvariabelen hebben op het succes van microbewerkingen.

"Alles wordt kritischer", zegt KYOCERA SGS Applications Engineer Jacob Rak. “Neem als voorbeeld uitloop. Wij adviseren maximaal 0,1% van de diameter van uw snijgereedschap. Hoe kleiner het gereedschap is, hoe moeilijker dat te bereiken is en hoe groter het effect op de standtijd.”

Derek Nading is het daarmee eens. Als applicatie-ingenieur voor M.A. Ford Mfg. Co. Inc., biedt hij een vuistregel voor gereedschappen met een diameter groter dan 1/8":voor elke tiende van de slingering kunnen machinisten een vermindering van de standtijd van 10 procent verwachten. “Als je te maken hebt met snijgereedschappen van microformaat, kan het verlies aan standtijd echter nog groter zijn. Daarom raden we een hoogwaardig krimp-, hydraulisch of precisieperssysteem aan voor de meeste frees- en boortoepassingen, maar vooral voor microbewerkingen.”

Het bereiken van de juiste oppervlaktesnelheid is ook van cruciaal belang. Elke machinist kan de wiskunde doen, maar het draaien van een 1/32" frees bij 300 sfm vereist bijna 40.000 tpm, veel hoger dan de meeste bewerkingscentra en alle draaibanken kunnen dit bereiken. In deze situaties raden Nading en anderen een speederhead aan. Elektrische, pneumatische en door koelvloeistof aangedreven versies zijn direct beschikbaar, hoewel Nading er snel op wijst dat de eerste elektrische bedrading vereist, waardoor het gebruik van de automatische gereedschapswisselaar van de machine wordt verboden.

Hoge spilsnelheden en schone koelmiddeltoevoer

Voor microboortoepassingen met koelvloeistoftoevoer merkt Nading op dat een hogedrukkoelmiddelsysteem (HPC) met 500 tot 1.000 PSI moet worden gebruikt om plaats te bieden aan de ultrakleine koelmiddelgaten van de boor. Hij waarschuwt dat een goede filtratie cruciaal is.

"Het is duidelijk dat de gaten in deze boren vrij klein zijn, dus zelfs de kleinste spaan of verontreiniging is voldoende om het werk te verstoppen, wat vaak resulteert in vrijwel onmiddellijke gereedschapsstoringen", zegt hij. "Daarom zie ik graag filtratieniveaus van 10 micron of beter voor optimale prestaties."

Meer nog dan hoge spilsnelheden en schoon koelmiddel, ziet Nading graag goed uitgelijnde, zeer nauwkeurige bewerkingsmachines die zijn ontworpen voor microwerk. Dat geldt ook voor de Rak van KYOCERA SGS:"Als u een microboormachine of vingerfrees op een te grote machine probeert te draaien, is de asresolutie vaak niet fijn genoeg, waardoor bewegingen worden gegenereerd die te abrupt kunnen zijn om het gereedschap te weerstaan", zegt hij. .

Evan Duncanson, specialist in freestoepassingen bij EMUGE Corp., merkte een andere veelvoorkomende fout op bij microbewerkingen:het gereedschap ondervoeden.

"Mensen die nieuw zijn in dit soort werk hebben de neiging om kleine microtools te gebruiken, maar wanneer je de voedingssnelheid verlaagt tot meer dan 30.000 tpm, duw je het materiaal alleen maar en het gereedschap breekt", zegt hij. "U moet de aanbevolen voedingssnelheid gebruiken om een ​​gereedschap goed te laten snijden, ongeacht de grootte."

De toolpaths zelf moeten mogelijk ook worden aangepast. Duncanson suggereerde dat trochoïdaal snijden nog steeds zijn plaats heeft, maar omdat micro-vingers vaak beperkt zijn tot twee groeven en een relatief groot bereik hebben, kan een andere freesstrategie nodig zijn.

"Veel micro-vingers hebben een zeer korte snijlengte - vaak slechts één tot twee keer de diameter - met een kortere hals die 10 of zelfs 20 keer zo lang is", zegt hij. "Met deze gereedschappen ga je een zeer ondiepe axiale snede maken en een relatief zware overstap gebruiken."

Ten slotte moeten toekomstige micromachinisten een geschikt gereedschapsbudget hebben. Net zoals frezen en boren met gereedschappen ter grootte van een potlood niet voor bangeriken is, evenmin als het slijpen van dergelijke gereedschappen. Duncanson en de anderen hier zeggen dat hoogwaardige slijpmachines en speciale fijnkorrelige wielen nodig zijn om de buitengewoon gladde afwerkingen en scherpe randen van hun producten te bereiken. Toch gaan de uitvalpercentages omhoog - soms ver omhoog - naarmate de gereedschapsgrootte afneemt. Het resultaat is hogere gereedschapskosten.

"Kijk naar de snijkant van een standaard 1/2" vingerfrees onder een microscoop", zegt hij. "Hoe goed het gereedschap ook is, je zult twee tot drie micron microchips en randbreuken zien. Dit is de reden waarom de meeste fabrikanten hun gereedschap een beetje aanscherpen om deze breuk glad te strijken en het gereedschap in feite voor te dragen. U kunt dit echter niet doen als het gereedschap een tiende van die grootte is, net zoals u niet dezelfde vijf tot tien micron dikke coatings kunt aanbrengen. Alles moet zo scherp mogelijk zijn.”

Microbewerkingstechnieken

Ondanks al dit gepraat over scherp gereedschap en speciale slijpapparatuur, is veel van de huidige "microbewerkingen" niet zoals hier beschreven. Ja, er wordt behoorlijk wat gedaan met conventionele snijgereedschappen op CNC-draaibanken en bewerkingscentra, zoals zojuist besproken. Maar er is ook laser-microbewerking (zie kader), micro-EDM en een soort microbewerking die nauwkeuriger microfabricage zou worden genoemd.

Er bestaan ​​twee van dergelijke fabricageprocessen. De eerste hiervan - bulkmicrobewerking - wordt meestal gebruikt om MEMS (micro-elektromechanische systemen) te creëren door selectief etsen van een siliciumsubstraat. Als een MEMS-apparaat de grootte van een huis zou hebben, zou het meeste ondergronds zijn, opgegraven met een reeks bijtende chemicaliën totdat de gewenste structuur en mechanische eigenschappen zijn geconstrueerd.

Oppervlakte-microbewerking daarentegen bouwt het "huis" op in een oppervlaktelaag die op een siliciumwafel is afgezet. Delen van deze kristallijne laag, ongeveer 25 micron dik, worden selectief verwijderd via een soortgelijk chemisch etsproces. Beide processen hebben hun voor- en nadelen en beide worden gebruikt om een ​​breed scala aan buitengewoon kleine apparaten te produceren. Deze omvatten MEMS, traagheidssensoren, gyroscopen en druksensoren, die allemaal te vinden zijn in smartphones, auto's, vliegtuigen en verschillende hoogwaardige industriële producten.

Welke microbewerkingstechnieken vond je het nuttigst? Deel uw mening in de onderstaande opmerkingen.