PROCESOS AVANZADOS DE MAQUINADO Y NANOFABRICACIÓN Jaqueline Borquez Andrea Islas Natalia Lizárraga Lluvia Olguín Darinka Salinovich

INTRODUCCIÓN Los procesos de maquinado descritos anteriormente quitan material formando virutas o absorción o microdespastillado, donde hay casos que estos procesos no son satisfactorios por las siguientes razones: La dureza y resistencia del material es muy alta o el material es demasiado frágil. La pieza es demasiado flexible, esbelta o delicada como para resistir las fuerzas de corte o de abrasión. El aumento de temperatura y los esfuerzos residuales en la pieza no son deseables ni aceptables.

Ejemplo de partes hechas con procesos avanzados de maquinado Corte de lámina con un rayo láser. b) Engranaje microscópico con diámetro del orden de 100 p.m. hecho con un proceso especial de ataque.

Maquinado Químico El maquinado químico se desarrolló con base en la observación que algunas sustancias atacan a los metales y los corroen, quitando pequeñas cantidades de material de la superficie. El maquinado químico es el más antiguo de los procesos no tradicionales y se ha usando para grabar metales y piedras y muy recientemente en la producción de tarjetas de circuito impreso y chips de microprocesadores.

Fresado Químico Se producen cavidades someras (que tiene muy poca profundidad o se halla muy cerca de la superficie) sobre placas, láminas, piezas forjadas y extrusiones, en general para reducir el peso total.

El ataque selectivo del reactivo químico sobre diferentes áreas de las superficies de la pieza se controla mediante capas removibles de material, en lo que se llama enmascaramiento o por inmersión parcial en el reactivo.

Troquelado (blanking) químico de material en bruto El troquelado químico del material en bruto se parece al recorte de la lámina que se va a usar como pieza bruta para obtener piezas en que se penetra pero el material se elimina por disolución química y no por cizallamiento.

Troquelado Fotoquímico También llamado fotograbado o maquinado fotoquímico, consiste en la eliminación de material de una lámina delgada y plana mediante técnicas fotográficas. Se basa en corroer al metal por disolución química con la ayuda de sustancias ( soluciones ácidas para aceros o alcalinas para el aluminio); quitando así pequeñas cantidades de material de la superficie. Troquelado Fotoquímico

Troquelado Fotoquímico Se pueden troquelar piezas complicadas y sin rebabas, incluso de piezas de tan solo .0025 mm. Se puede utilizar para grabar Los costos de herramienta son bajos, el proceso se puede automatizar y es económico para volúmenes medianos a altos de producción. El inconveniente principal son los desechos de los subproductos químicos. Troquelado Fotoquímico

Aplicaciones Pantallas Finas Laminaciones de motores eléctricos Muelles Planos En la industria aeroespacial para eliminar capas superficiales de material en partes grandes de aviones o cubiertas de misiles. Fabricación de dispositivos microelectrónicos Tarjetas de circuito impreso Chips de microprocesadores Aplicaciones

Maquinado Electroquímico El principio de funcionamiento de esta técnica es el de electrodeposición invertida. El maquinado electroquímico se utiliza en la industria aeroespacial, para la producción en masa de álabes de turbinas y partes de motor de reacción y toberas. Tiene las ventajas de no causar daños térmicos en la pieza, no produce desgaste de herramienta, y puede producir formas complicadas con cavidades profundas en materiales duros; sin rebabas. Como desventaja, este método posee herramientas y equipos costosos y consume mucha energía.. Maquinado Electroquímico

Maquinado Electroquímico Un electrolito (sal inorgánica muy conductora) funciona como portador de corriente y la gran rapidez de movimiento del electrolito en el espacio entre la herramienta y la pieza, arrastra y retira los iones metálicos de la pieza (ánodo) antes de que tengan oportunidad de depositarse sobre la herramienta (cátodo). Maquinado Electroquímico

Maquinado Electroquímico Pulsado (MEQP) Es un refinamiento del maquinado electroquímico Usa densidades de corriente muy altas, corriente pulsada y no directa. Se elimina la necesidad de grandes flujos de electrolito, sin limitar la utilidad en la producción de matrices y moldes. Maquinado Electroquímico Pulsado (MEQP)

MEQP Ventajas Desventajas Mejora la duración por fatiga Método Propuesto para eliminar la capa de refundición que queda en las superficies de las matrices y moldes. Útil en el micromaquinado (para procesos de gran precisión). Desventajas Es difícil mantener una alineación precisa de la herramienta y la pieza, al cambiar de ME a MEQP . Se requirió elaborar una maquinada con y sin pulsado para el cambio. Deja residuos metálicos Erosión MEQP

Rectificado Electroquímico En el rectifícado electroquímo se combina el maquinado electoquímico con el rectificado normal. Es parecido a una rectificadora convencional, pero la piedra es un cátodo giratorio embobinado en partículas abrasivas. La piedra tiene abraciones de diamante aglomerado con metal y de oxido de alunio. Gira a una velocidad superficial de 1200 a 2000 m/min.

Abrasivos: 1) Sirve como aislante entre la piedra y la pieza. 2) Quitar mecánicamente los productos de la electrolisis en el área de trabajo. La densidad de corriente va de 1 a 3 A/mm²

Video de Rectificado Electroquímico

El rectificado electroquímico es adecuado en aplicaciones parecidas a: Fresado Rectificado Aserrado Este proceso se a aplicado a: Carburos y aleaciones de alta resistencia

Consideraciones de diseño para el rectificado electroquímico. Se deben evitar los radios interiores pequeños. Si se debe producir superficies planas, la superficie rectificada debe ser mas angosta que el ancho de la piedra abrasiva.

Maquinado con descarga eléctrica (Electroerosionadora de penetración) El principio de maquinado con descarga eléctrica( EDM, Electrical-Discarge machining). Es basada en la erocion de los metales mediante chispas de descargas electricas

Principio de operación: EL sistema EDM básico consiste en una herramienta de formado y la pieza conectadas a una fuente de poder dc y colocadas en un fluido dielectico. Cuando la diferencia de potencia entra las herramientas y la pieza es suficientemente alta, se descarga una chispa transitoria que atraviesa el fluido y quita una contidad muy pequiña de metal.

La descarga del capacitor se repite a fracuencias entre 50 y 500 KHz. Con un voltaje que varia de 50 a 380 V. Y corriente de 0.1 a 500 A.

Video de Electroerosionadora de penetración

Función del fluido dieléctrico: Actuar como aislante hasta que el potencial llegue al valor suficiente. Actuar como medio de lavado y retirar los desechos Medio de enfriamiento

Posibilidad de proceso: Produccion de cavidades de matrices para componentes grandes de carrocería de automovil. Orificios profundos de diámetro pequeño. Ranuras angostas. Paletas de turbinas.

Consideraciones de diseño para el maquinado con descarga electica: Se deben diseñar las partes de tal manera que los electrodos requeridos se puedan formar adecuada y económicamente. Evitar ranuras profundas y aberturas angostas. El acabado superficial no debe ser muy fino. Metodos convancinales (cortes de desbaste)

Maquinado con descarga eléctrica y alambre (Electroerosionadora de hilo) En este proceso, que se parece al calado con una cierra de cinta, un alambre que se mueve con lentitud describe una trayectoria predeterminada y corta la pieza. Las chispas que descarga funcionan como dientes de corte.

Este proceso utiliza para cortar: Placas hasta de 300mm El alambre suele ser de latón, cobre o tungsteno Se utilizan recubiertos de zinc, latón y de varias capas El diámetro del alambre es de .30mm para corte de desbaste y se .20mm para cortes de acabado Se mueve el alambre a una velocidad constante de .15 a 9m/min.

Video de Electroerosionadora de hilo

La velocidad de corte se suele expresar en área transversal cortada por unidad de tiempo: 18000mm²/h para acero de herramientas D2 de 50mm de espesor. 45000mm²/h para aluminio de 150mm de espesor. Se traduce en velocidad lineal de corte 18000/50= 360mm/h= 6mm/min

Varios cabezales para cortar varias piezas a la vez Las maquinas de electroerosión de alambre modernas tienen las sig. características: Controles computarizados para regular la trayectoria de corte del alambre. Varios cabezales para cortar varias piezas a la vez Funciones de control para evitar la ruptura del alambre Estrategias programadas de maquinado para optimizar el funcionamiento Costo aroximado de 150000 a 300000 dolares.

MAQUINADO CON RAYO LÁSER La fuente de energía es un láser, que concentra energía luminosa sobre la superficie de la pieza. Se usa para maquinar diversos materiales metálicos y no metálicos. Diferentes tipos de láser dependiendo del material y la operación. Pueden usar combinados una corriente de gas como oxígeno, nitrógeno o argón.

Posibilidades del proceso: Taladrar y cortar metales, materiales no metálicos, cerámicas y materiales compuestos. Se usa cada vez más en las industrias electrónica y automotriz. También se usan para: Soldar Tratamiento térmico Marcar partes, con letras, números, claves, etc.

Consideraciones del diseño: La reflectividad de la superficie de la pieza. Evitar diseños con esquinas agudas, porque es difícil producirlas. Investigar todos los efectos adversos causados por las altas temperaturas.

MAQUINADO CON HAZ DE ELECTRONES Y CORTE CON ARCO DE PLASMA La fuente de energía en el maquinado con haz de electrones está formada por electrones de alta energía que chocan con la superficie de la pieza y generan calor Requiere vacío, por lo que el tamaño de la pieza está limitado por el de la cámara de vacío. Se puede usar para cortes muy exactos en una gran variedad de metales.

En el corte con arco de plasma se usan chorros de plasma para cortar con rapidez láminas y placas de metales ferrosos y no ferrosos Las temperaturas generadas son muy altas Hoy en día esta muy automatizado y usa controladores programables.

Consideraciones de diseño: Como las cámaras de vacío tienen capacidad limitada, los tamaños de pieza deben coincidir con los de la cámara para obtener una gran capacidad de producción por ciclo. Si una pieza requiere maquinado con haz de electrones en una pequeña parte, se de considerar su manufactura en forma de varios componentes pequeños.

MAQUINADO CON CHORRO DE AGUA Llamado también maquinado hidrodinámico. El chorro de agua funciona con una sierra y corta una ranura angosta en el material. Se pueden cortar diversos materiales como: -plásticos -telas - hule -madera -papel - cuero. Se usa en la industria de alimentos

Ventajas: Se pueden iniciar los cortes en cualquier lugar No produce calor No se producen flexiones en el resto de la pieza Se humedece poco la pieza Las rebabas producidas son mínimas. Es un proceso de manufactura seguro para el ambiente.

Maquinado con chorro de agua y abrasivos El chorro de agua contiene partículas abrasivas, como el carburo de silicio o el óxido de aluminio, que aumenta la remoción del material. Se pueden cortar materiales metálicos, no metálicos y compuestos de distintos espesores de una o varias capas. El proceso es adecuado para los materiales sensibles al calor que no se pueden maquinar con los procesos que generan calor.

MAQUINADO CON CHORRO ABRASIVO Se dirige un chorro de alta velocidad de aire seco (nitrógeno o dióxido de carbono con partículas abrasivas) hacia la superficie de la pieza, bajo condiciones controladas. La velocidad del chorro abrasivo puede llegar hasta 300 m/s y se controla con una válvula.

El impacto de las partículas desarrolla una fuerza como para efectuar las siguientes operaciones: Cortar pequeños orificios Recortar y biselar Quitar óxidos Limpieza general de componentes con superficies irregulares

NANOFABRICACIÓN Implica la generación y manipulación de estructuras con dimensiones características menores de 40 nano pulgadas. APLICACIONES: Electrónica Dosificación de medicamentos Sensores Sistemas de diagnóstico médico

Ejemplo: Se ha estimado que si 1 bit de información se pudiera guardar en 100 átomos, entonces todos los libros que se han escrito a la fecha se podrían guardar en un CUBO DE 0.5 mm. El obstáculo mayor a la nanofabricación ha sido la posibilidad limitada de sus procesos.

MICROMAQUINADO Un área importante de la investigación continua es el desarrollo de los sistemas micromecánicos, en los que las dimensiones características de los componentes son del orden de micrómetros. Microactuadores electromagnéticos de las unidades del disco duro Microcardanes Microfuelles Sensores y dispositivos de sensor.