Microbewerking: Geavanceerde technieken, marktkansen en opkomende uitdagingen

Microbewerking is groot bedrijf en staat ingesteld om in de komende jaren te groeien naarmate de industrie eist aan kleinere en complexere onderdelen. Maar wat betekent de term eigenlijk, en hoe verschilt het van de "macrobewerking" die elke dag in machineshops over de hele wereld wordt uitgevoerd? Hier is wat u moet weten.

Of het nu voor de medische, luchtvaart-, elektronica- of automobielindustrie is, microbewerking is groot bedrijf. En het wordt een stuk groter, volgens een november 2019 rapport van onderzoeksfirma The Insight Partners.

Met een verwachte waarde van $5,48 miljard in 2027, wordt de mondiale microbewerkingsmarkt verwacht te groeien tot bijna het dubbele van het 2018-niveau over de komende jaren, volgens het rapport.

Zoals de meeste in de industrie, definieert Jake Rutherford, onderzoek- en ontwikkeling ingenieur bij KYOCERA SGS Precision Tools Inc., microbewerking als elk onderdeel of onderdeelkenmerk dat gereedschappen kleiner dan 1/8 inch of 3 millimeter in diameter vereist.

Het is niets nieuws, legt hij uit. De eerste toepassing voor microbewerking was horlogefabrikage, maar naarmate technologie over de jaren kleinere en nauwkeurigere componenten heeft geleverd, dekt de term nu een breed scala aan industrieën, onderdelen en materialen. Dit omvat allerlei sensoren, hartpompen en ademhalingsmonitoringapparatuur, componenten voor de luchtvaart- en automobielindustrie, elektronenmicroscoop accessoires, microfluïdische apparaten, en zelfs veel van de onderdelen in uw smartphone.

De materialen die gebruikt worden om deze componenten te maken, dekken ook een breed bereik, met roestvrij stalen en hoge-temperatuur legeringen heel algemeen, evenals polymeren zoals PEEK, PTFE en POM.

"Er is een grote mate van materiaaloverlap tussen industrieën, weshalb shops moeten zoeken naar microbewerkingsgereedschappen die materiaalspecifiek zijn in plaats van gereedschappen ontworpen voor een specifieke markt of toepassing," zegt Rutherford.

Microbewerking's vuistregels

Ongeacht de werkstuggrootte, blijven de algemene principes van bewerking hetzelfde. Wat anders is, is het versterkte effect dat elke minder-optimale toepassingsvariabele heeft op het succes van microbewerking.

"Alles wordt kritischer," zegt KYOCERA SGS Applicatie-ingenieur Jacob Rak. "Neem uitloop als voorbeeld. We raden een maximum van 0,1% van uw snijgereedschapsdiameter aan. Hoe kleiner het gereedschap is, des te moeilijker is dat te bereiken en des te groter het effect op de gereedschapslevensduur."

Derek Nading is het ermee eens. Een applicatie-ingenieur voor M.A. Ford Mfg. Co. Inc., geeft hij een vuistregel voor gereedschappen groter dan 1/8" in diameter: Voor elke tiende van uitloop, kunnen bewerkers een 10 procent reductie in gereedschapslevensduur verwachten. "Wanneer u te maken heeft met micro-geslijpte snijgereedschappen, kan het verlies in levensduur nog groter zijn. Daarom raden we een hoge-kwaliteit shrink-fit, hydraulisch of precisie pers-fit systeem aan voor de meeste frees- en boorapplicaties, maar vooral voor microbewerking."

Het bereiken van de juiste snijsnelheid is ook cruciaal. Elke bewerker kan de wiskunde doen, maar een 1/32" frees draaien op 300 sfm vereist bijna 40.000 toer/min, ver hoger dan wat de meeste bewerkingscentra en alle draaibanken bereiken. In deze situaties raden Nading en anderen een speeder head aan. Elektrische, pneumatische en koelvloeistof-aangedreven versies zijn gemakkelijk beschikbaar, hoewel Nading snel wijst op het feit dat de eerste elektrische bedrading vereist, wat het gebruik van de automatische gereedschapswisselaar van de machine verbiedt.

Hoge spindelsnelheden en schone koelvloeistoftoevoer

Voor koelvloeistof-gevoede microboorapplicaties, merkt Nading op dat een hoogdruk koelvloeistof (HPC) systeem met 500 tot 1.000 PSI gebruikt moet worden om de ultra-kleine koelvloeistofgaten van de boor te accommoderen. Hij waarschuwt dat juiste filtratie cruciaal is.

"Omdat de gaten in deze boortjes heel klein zijn, is zelfs het kleinste spaan of beetje contaminatie genoeg om de boel te verstopen, vaak resulterend in bijna direct gereedschapsfout," zegt hij. "Daarom wil ik filtratieniveaus van 10 micron of beter zien voor optimale prestaties."

Nog meer dan hoge spindelsnelheden en schone koelvloeistof, wil Nading goed uitgelijnde, hoog-nauwkeurige werktuigmachines zien die ontworpen zijn voor microwerk. Zo doet KYOCERA SGS's Rak: "Wanneer u probeert een microboor of frees te draaien op een te grote machine, is de asresolutie vaak niet fijn genoeg, wat bewegingen genereert die te abrupt kunnen zijn voor het gereedschap om te weerstaan," zegt hij.

Evan Duncanson, freestoepassingsspecialist bij EMUGE Corp., noemt een andere veelvoorkomende microbewerkingsfout: onder-voeden van het gereedschap.

"Mensen nieuw in dit soort werk neigen ertoe microgereedschappen te beschermen, maar wanneer u de voedsnelheid verlaagt bij 30.000+ toer/min, eindigt u met het duwen van het materiaal en breekt het gereedschap," zegt hij. "U moet de aanbevolen voedsnelheid voor een gereedschap gebruiken om correct te snijden, ongeacht de grootte."

De gereedschapspaden zelf moeten mogelijk ook aangepast worden. Duncanson stelde voor dat trochoïdaal frezen nog steeds zijn plaats heeft, maar omdat micro-frezen vaak beperkt zijn tot twee snijden en een relatief lange uitsteek hebben, kan een andere freesstrategie noodzakelijk zijn.

"Veel micro-frezen hebben een heel korte snij lengte – vaak slechts één tot twee keer de diameter – met een verlaagde nek van 10 of zelfs 20 keer die lengte," zegt hij. "Met deze gereedschappen gaat u een heel ondiepe axiale snede nemen en een relatief zware overstap gebruiken."

Tot slot, potentiële microbewerkers moeten een passend toolingbudget hebben. Net als frezen en boren met gereedschappen van de grootte van een potloodmijn niet voor de fainthearted is, is het slijpen van zulke gereedschappen dat ook niet. Duncanson en de anderen hier zeggen dat high-end slijpmachines en speciale fijnkorrelige schijven nodig zijn om de uiterst gladde afwerkingen en scherpe randen te bereiken die op hun producten te vinden zijn.zelfs zo, gaan schrotpercentages omhoog – soms veel omhoog – naarmate de gereedschapsgrootte omlaag gaat. Het resultaat is hogere gereedschapskosten.

"Bekijk de snijrand op een standaard 1/2" frees onder een microscoop," zegt hij. "Ongeacht hoe goed het gereedschap, zult u twee tot drie micron microscheuring en randbreuk zien. Dit is waarom de meeste fabrikanten een lichte afronding aanbrengen op hun gereedschappen, om deze breuk glad te strijken en het gereedschap eigenlijk voor te slijten. U kunt dit niet doen wanneer het gereedschap een tiende van die grootte is, evenmin als u dezelfde vijf-tot-tien-micron-dikke coatings kunt aanbrengen. Alles moet zo scherp mogelijk zijn."

Microbewerkingstechnieken

Ondanks al deze praat over scherpe gereedschappen en speciale slijpapparatuur, is veel van de huidige "microbewerking" niet zoals hier beschreven. Ja, een redelijk deel wordt gedaan met conventionele snijgereedschappen op CNC draaibanken en bewerkingscentra zoals net besproken. Maar er is ook laser microbewerking (zie sidebar), micro-EDM en een type microbewerking dat nauwkeuriger microfabricatie genoemd zou worden.

Twee dergelijke fabricageprocessen bestaan. De eerste van deze – bulk microbewerking – wordt doorgaans gebruikt om MEMS (micro-electro-mechanische systemen) te creëren door selectieve etching van een siliciumsubstraat. Als een MEMS-apparaat de grootte van een huis was, zou het grootste deel erondergronds zijn, uitgegraven met een reeks kaustische chemicaliën tot de gewenste structuur en mechanische eigenschappen zijn geconstrueerd.

Oppervlakte microbewerking, aan de andere kant, bouwt het "huis" binnen een oppervlaktelaag die op een siliciumwafer is gedeponeerd. Delen van deze kristallijne laag, ruwweg 25 micron dik, worden selectief verwijderd via een vergelijkbaar chemisch etchproces. Beide processen hun voor- en nadelen, en beide worden gebruikt om een breed scala aan uiterst kleine apparaten te produceren. Deze omvatten MEMS, inertiële sensoren, gyroscopen en druksensoren, die allemaal in smartphones, automobielen, vliegtuigen en diverse high-end industriële producten te vinden zijn.

Welke microbewerkingstechnieken hebben u het meest nuttig gevonden? Deel uw gedachten in de reacties hieronder.