Maquinado por ultrasonido y Micromaquinado
Llamados mecanizados no convencionales, se utilizan cuando: El
material es muy duro, ms de 400 HB. La pieza es demasiado flexible,
delicada o difcil de sujetar. La geometra de la pieza es compleja.
Se requieren tolerancias y acabados superficiales especiales. Se
requiere disminuir el efecto trmico en la pieza.Este tipo de
procesos involucran energa qumica, elctrica y de haces de alta
potencia; por ello las propiedades mecnicas del material no son lo
ms importante, como si lo son las propiedades fsicas, qumicas y
elctricas.Estos nuevos procesos se han creado en interrelacin con
tecnologas de control computacional y robots, mejorando
continuamente la productividad.
Mecanizado por ultrasonidoConocido por sus siglas USM
(Ultrasonic Machining), tambin es llamado Rectificado por Impacto
Ultrasnico, este retira material de una superficie mediante
microastillado y erosin con granos abrasivos, fino, sueltos en lodo
de agua.La punta de la herramienta (sonotrodo), vibra a una
frecuencia de 20kHz (vibra unas 20.000 veces por segundo), esta
vibracin proporciona una alta velocidad a los granos abrasivos
entre la herramienta y la pieza de trabajo.Se requiere una
herramienta especial para cada forma a producir; el arranque del
material est basado en la rotura frgil, por ello es adecuado para
materiales que son duros y frgiles, como los cermicos, carburos,
piedras preciosas y aceros endurecidos.Los granos abrasivos son de
carburo de boro, aunque tambin se utilizan oxido de Aluminio y
carburo de Silicio, los granos se trasladan en un lodo de agua con
concentraciones de 20-60% en volumen.Mecanizado por ultrasonido
rotatorioEl proceso del mecanizado por ultrasonidos rotatorio (RUM
-Rotary Ultrasonic Machining) es un avance tecnolgico del clsico
mecanizado por ultrasonidos USM. Se basa en la eliminacin de
material mediante la combinacin de giro y vibracin ultrasnica en
direccin axial de una herramienta (similar al fresado frontal), se
reemplaza el lodo abrasivo por una herramienta que tiene abrasivos
de diamante aglutinados con metal impregnado en la superficie de la
herramienta.La separacin continua entre herramienta y pieza gracias
a esa vibracin ultrasnica hace que, en comparacin con los mtodos
tradicionales, las fuerzas de corte se reduzcan y que la generacin
de calor sea menor. Esto se traduce en una proteccin de la
herramienta y de la pieza aumentando la productividad en hasta 5
veces la de dichos procesos convencionales, y la obtencin de unos
acabados superficiales incluso menores que 0,2mm.Este proceso es
muy efectivo en la produccin de orificios profundos y altas
velocidades de remocin de material en partes de
cermicos.Aplicaciones del RUM- Industria del automvil: discos de
freno, toberas de inyeccin, insertos de moldes de inyeccin, en
materiales como Nitruro de Silicio, Almina, metal duro, acero
templado (55HRc)- Industria de los semiconductores: plaquitas
(Wafer), elementos de refrigeracin en materiales como Silicio,
Cuarzo, Hialino.- Industria ptica: lentes cncavas y convexas,
espejos en materiales como Zafiro, Silicio, Zerodur y vidrios
varios.- Industria mdica: articulaciones, coronas dentales en
materiales cermicos varios como Zirconio, Almina.- Varios: guas
antidesgaste, pirometra, boquillas de soldadura, aisladores
trmicos, materiales cermicos.
Todas estas aplicaciones tienen un elemento en comn: las
superiores propiedades de alta dureza, resistencia mecnica al
desgaste, baja densidad, resistencia a la abrasin a altas
temperatura, capacidades pticas, etc.
Avances que supone la tecnologa RUM:- Reduccin de los esfuerzos
de corte, de la carga trmica a la pieza y con ello el desgaste de
la herramienta debido al menor tiempo de contacto de cada grano
abrasivo con el material de pieza, inherente al movimiento
ultrasnico.- La superposicin de movimientos, rotacin y giro, hace
que se obtengan mayores tasas de arranque que en el caso de los
procesos convencionales como el rectificado (hasta 5 veces
mayores).- Gran acabado superficial, debido a las menores fuerzas
del proceso, pudindose obtener superficies con rugosidades menores
que 0.2 m Ra hasta suprimir el pulido.- El movimiento ultrasnico
junto con el refrigerante interno y externo hace que la herramienta
experimente un proceso de autolimpieza, evitando as el fenmeno de
embotamiento y facilitando el regenerado de la misma.- El proceso
produce una capa superficial de tensiones residuales de compresin,
por lo que se aumenta la vida a fatiga.- Se pueden tratar
materiales duros y frgiles llevando a cabo pequeas operaciones de
corte, desde 0.5mm as como diversas operaciones en una sola mquina,
como taladrado y fresado, agujeros de gran profundidad,
contorneados, ranurados, planeados o superficies complejas.
Consideraciones de diseoSe deben evitar perfiles, esquinas y
radios agudos, porque se erosionan con el lodo abrasivo.Los
orificios producidos tienen cierta conicidadDada la tendencia de
los materiales frgiles a astillarse en el extremos de salida de los
orificios maquinados, la parte inferior de las partes debe tener
una placa de respaldo.
MicromaquinadoAntecedentesLos microsistemas engloban el diseo,
produccin y aplicacin de artefactos pequeos que van de 1 hasta 100
micrmetros. Estos se conocen como MST (Microsystems Technology) en
Europa y MEMS (Microelectromechanical Systems) en Estados
Unidos.Estos integran sensores miniaturizados, actuadores y
unidades de procesamiento de seal, que permite al sistema completo
medir, decidir y reaccionar; por ende, integra mecnica, electrnica,
entre otros.Las ventajas de estos sistemas en la reduccin de tamao
y peso, reduccin de costos, reduccin de masa, bajo consumo
energtico y mltiples aplicaciones.Finalmente, los microsistemas son
ampliamente conocidos como aparatos microscpicos hechos de silicio
utilizando micromaquinado y fotolitografa. La microtecnologa se
remonta a los sesenta cuando aparecieron los primeros sensores de
presin para aplicaciones industriales y aeroespaciales. Pero su
gran popularidad lleg en los ochenta cuando aparecieron las dos
aplicaciones ms revolucionarias: los sensores de presin del
automvil para el control de emisiones y los sensores de presin de
sangre de usar y tirar. Fue entonces cuando se empez a explorar la
posibilidad de utilizar microsistemas para fabricar microrels,
micro espejos en los proyectores, acelermetros para el air-bag, que
son en la actualidad algunos de los mercados ms grandes de la
microtecnologa.
Teniendo como base los antecedentes, el micromaquinado o
micromecanizado, es un conjunto de herramientas para el diseo y
fabricacin de microsistemas, por ello se define como la caja de
herramientas de los MEMS.El micromaquinado es un proceso en grupo,
mediante el cual se fabrican cientos o posiblemente miles de
elementos idnticos sobre la misma oblea. La unidad de dimensin es
la micra, un factor alrededor de 25 veces ms pequeo que el que
puede ser logrado con el maquinado convencional.Al ser los
microsistemas fabricados de silicio, el micromecanizado de silicio
se divide en dos tipos principales:1. Micromaquinado volumtrico
(Bulk micromachining) Se trata de modificar el substrato de
silicio.2. Micromaquinado de superficie (Surface micromachining).
Consiste en depositar capas de material sobre la oblea de
silicio.
Micromaquinado volumtrico: En este proceso se elimina material
de un substrato (oblea), y se basa en el hecho que ciertas
soluciones alcalinas acuosas atacan el silicio a velocidades muy
diferentes segn la direccin cristalogrfica. El proceso consiste en
proteger las partes que no se quieren atacar y a continuacin
proceder con el ataque qumico para realizar el grabado en la oblea.
El ataque anisotrpico produce estructuras tridimensionales
determinadas por la mscara utilizada y por la estructura cristalina
del silicio. La mscara protege el silicio que no se quiere
trabajar, mientras el ataque avanza hasta que los planos (111),
quedan expuestos en el sustrato de silicio.En la figura. 1 vemos el
esquema de un ataque anisotrpico sobre una oblea de silicio. Las
regiones expuestas son atacadas por la solucin alcalina que retarda
su actuacin cuando los planos se ven expuestos. El resultado es una
apertura en forma de V. En la figura 1(b) y (c) vemos dos de las
aplicaciones ms comunes que se obtienen con este proceso de
fabricacin: las membranas y las vigas. Las membranas se obtienen
depositando un material mecnico resistente al ataque qumico (por
ejemplo nitruro de silicio) en la superficie de la oblea y luego
atacando la oblea por el otro lado. En cambio para producir una
viga se empieza con una mscara con una apertura en forma de U.
Este proceso se ha utilizado para realizar una amplia gama de
micromquinas, mayoritariamente sensores (por ejemplo sensores de
presin), se caracteriza por la obtencin de piezas con un espesor
mayor que las obtenidas con el micromaquinado de superficie, aunque
las geometras que se pueden obtener son generalmente ms limitadas.
Los microsensores obtenidos mediante esta tcnica a veces estn
formados por dos obleas. Estas obleas se unen mediante distintas
tcnicas: fusin, andicamente o unin de una oblea de vidrio y una de
silicio utilizado para la encapsulacin. La integracin de la
electrnica se puede conseguir con el postprocesado correspondiente
de las obleas CMOS. Con este proceso slo se puede conseguir un
limitado nmero de geometras, aunque un gran nmero de aplicaciones
se ha desarrollado con esta tecnologa.
Como ejemplo se tiene la fabricacin de la viga en voladizo de
silicio, por tcnicas de enmascaramiento, un parche rectangular de
sustrato de silicio tipo n se cambia a silicio tipo p dopado con
boro. Los ataques con hidrxido de potasio no pueden retirar grandes
cantidades de silicio dopado con boro, por lo que no se ataca el
parche.Despus se produce una mscara con nitruro de silicio, sobre
el silicio, el hidrxido ataca al silicio sin dopar, este se elimina
con rapidez, la mscara y el parche dopado no se ven afectados, el
ataque avanza hasta que los planos (111) quedan expuestos en el
sustrato de silicio tipo n; socavan el parche, dejando la viga en
voladizo tal y como se muestra.
Micromecanizado en superficie:Esta tcnica consiste en fabricar
estructuras con partes mviles, a partir de una serie repetida de
pasos que consisten en depositar en la superficie de una oblea
diferentes capas finas, a continuacin transmitir la mscara sobre
las capas depositadas (fotolitografa) y un ataque qumico selectivo
para eliminar las capas no estructurales o de sacrifico.En este
proceso intervienen dos tipos de materiales el mecnico o
estructural (tpicamente silicio policristalino o nitruro de
silicio), este material es el que formar la estructura. El material
de sacrificio (normalmente dixido de silicio) que es eliminado
mediante un ataque qumico para que la estructura pueda moverse.La
figura 2 muestra el proceso bsico para obtener estructuras
suspendidas. Actualmente encontramos en el mercado procesos que
ofrecen dos o ms capas estructurales permitiendo un amplio rango de
diseos posibles.Una vez depositadas todas la capas sobre la
superficie de la oblea, se prosigue a eliminar el material no
estructural para permitir el movimiento de la estructura.La
eliminacin del material de sacrificio se puede realizar con dos
tipos de ataques: el ataque hmedo qumico (HF, KOH normalmente) o
ataque en seco (mediante plasma). El micromecanizado en superficie
ha proporcionado una amplia gama de productos, incluyendo sensores
y actuadores electrostticos, micromotores, cadenas de engranajes y
componentes micro pticos.
Es til para producir formas simples, restringido a materiales
monocristalinos. En este se coloca un espaciador o capa de
sacrificio sobre el sustrato de silicio recubierto con una pequea
capa de material dielctrico (conocida como capa de aislamiento o
reduccin).La capa espaciadora comnmente es de vidrio de
fosfosilicato, esto debido a que el acido fluorhdrico la ataca con
facilidad, despus del ataque se deposita una delgada capa de
polisilicio, metal, aleacin metlica o dielctrico. Posteriormente se
modela la pelcula estructural, en general por ataque en seco
(grabado) para mantener paredes y tolerancias dimensionales.Por
ltimo, el ataque en hmedo de la capa de sacrificio deja una
estructura tridimensional, que se soporta por s misma. La oblea
debe recocerse para evitar esfuerzos residuales en el metal
depositado.