Mecanizado ultrapreciso de materiales frágiles y duros

Mecanizado ultrapreciso de materiales frágiles y duros

Gracias a las máquinas de Röders, ShapeFab puede fabricar piezas geométricamente complejas en un solo sistema

Cuando se procesan lentes u otras estructuras hechas de vidrio o cerámica para aplicaciones tales como tecnología médica y de laboratorio, dispositivos de medición o tecnología láser, domina la cadena “clásica” de tecnología de tres puntas de esmerilado, lapeado y pulido utilizando tres sistemas diferentes.

Una start-up en Jena ahora lleva a cabo todo el procesamiento en una misma máquina CNC de alta precisión. Con ciertas geometrías, por ejemplo, socavados o superficies de forma libre, esto ofrece ventajas muy interesantes. Los tamaños de lote van desde artículos individuales hasta series de tamaño mediano.

Juntos, la Sra. Jahn y yo tenemos más de 26 años de experiencia práctica en el procesamiento de vidrio para la industria óptica“, dice el ingeniero mecánico Oliver Seidel, Director de ShapeFab GmbH & Co. KG en Jena. El operador capacitado de la máquina de corte está muy familiarizado con las propiedades y los métodos de procesamiento de los materiales de vidrio y cerámica.

A sugerencia de la Sra. Jahn, que había estado pensando en estos temas durante mucho tiempo, ambos desarrollaron gradualmente ideas a lo largo de los años sobre cómo el mecanizado de materiales frágiles podría llevarse a cabo de manera más racional y eficiente que con la cadena de tecnología convencional mediante el uso de máquinas herramienta modernas y potentes, como las que se utilizan rutinariamente en el sector metalúrgico. La cadena de proceso convencional consiste en operaciones consecutivas de esmerilado, lapeado y pulido, cada una llevada a cabo en diferentes equipos y, a veces, incluso en diferentes instalaciones.

Esto no solo lleva mucho tiempo, sino que también implica el riesgo de pérdidas de precisión debido a los repetidos cambios de sujeción. Por esta razón, durante mucho tiempo habían estado reflexionando sobre la idea de realizar las tres operaciones en una sola configuración en una misma máquina herramienta.

Diferencias importantes con respecto a las herramientas

“A diferencia del enfoque habitual para el procesamiento de vidrio, trabajamos en los tres segmentos de proceso  con herramientas que tienen una geometría definida”, agrega el Director General Dipl. Anett Jahn. En el procesamiento de vidrio convencional, solo el primer paso se lleva a cabo utilizando puntos de rectificado recubiertos con granos de diamante, que presentan una geometría definida. Las dos operaciones siguientes, lapeado y pulido, por otro lado, se llevan a cabo con granos sueltos, lo que significa que se deben tener en cuenta numerosos factores influyentes. El lapeado se realiza con una suspensión de granos abrasivos no unidos de tamaño uniforme en un espacio estrecho entre la pieza de trabajo y una herramienta de acoplamiento.

Los movimientos relativos de deslizamiento constante de ambos cuerpos aseguran que se eliminen pequeñas cantidades de material. El resultado son superficies muy mate con una precisión dimensional de hasta 0,5 μm y una rugosidad superficial Rz inferior a 0,05 μm. Durante el pulido posterior, por otro lado, las suspensiones que contienen granos de agente de pulido muy finos se guían a lo largo de la superficie bajo una ligera presión utilizando textiles o fieltros flexibles. El objetivo es alisar la superficie con la menor eliminación de material posible. Las superficies son entonces extremadamente lisas, transparentes y brillantes. Sin embargo, en el caso de geometrías complejas o incluso superficies de forma libre, estos dos métodos no se pueden usar sin hacer que el proceso sea mucho más complejo.

En contraste con esto, todas las operaciones en ShapeFab se llevan a cabo con herramientas con una geometría definida recubierta con abrasivos cuyos granos están firmemente unidos. Esto tiene la ventaja de que la geometría final corresponde exactamente a la especificación CAD, como se puede lograr cuando se  mecanizan metales  CNC. Con herramientas de rectificado especialmente seleccionadas, se pueden lograr calidades superficiales de hasta 8 nm Ra.

Gracias a la libre combinación de los pasos de procesamiento, se pueden realizar de forma selectiva.

Los puntos fuertes del proceso ShapeFab

“La fortaleza particular de nuestro proceso radica en el hecho de que podemos crear estructuras que a menudo son mucho más exigentes geométricamente que las que antes se podían lograr utilizando procesos convencionales”, explica Adrian Helming, signatario autorizado de ShapeFab. En principio, ahora se ha hecho posible crear estructuras con vidrio que de otro modo solo se pueden lograr con metales. Los ejemplos incluyen componentes con superficies 3D de forma libre, matrices de lentes, componentes sin marco con  puntos de fijación o orificios integrados, componentes microfluídicos para tecnología de laboratorio, óptica de sensores o piezas con superficies pulidas selectivamente incluso en posiciones difíciles de alcanzar.

Dado que la producción está altamente automatizada y las piezas se fabrican bajo control CNC y en su mayoría utilizando herramientas estándar, se pueden producir diseños especiales de manera económica hasta la pieza individual.

El Röders RXP 501 DS

El Centro de Mecanizado 5 ejes RXP 501 DS de Röders HSC fue diseñado para cumplir con los requisitos de alta precisión al tiempo que ofrece un excelente rendimiento de mecanizado, especialmente al astillar materiales duros. Tiene accionamientos directos lineales sin fricción que, en combinación con controladores sincronizados  de 32 kHz en todos los ejes, permiten un procesamiento igualmente dinámico y de alta precisión. Debido a la alta frecuencia de corrección, se puede lograr una reducción significativa en el tiempo de procesamiento junto con una calidad superficial óptima. Un requisito previo esencial para esto son las básculas ópticas de alta precisión en todos los ejes: cuando se trata de precisión, Röders no se comprometerá.

Debido a su precisión y dinámica, la máquina también se puede utilizar para rectificar plantillas. Además, el eje Z cuenta con un equilibrador de peso de vacío patentado sin fricción.

Para garantizar la máxima estabilidad térmica, la planta cuenta con un sofisticado sistema de gestión de temperatura. La temperatura del medio que fluye a través de todos los componentes esenciales del sistema se controla con una precisión de ± 0,1 K. Otra característica especial es un sistema de control dedicado basado en la tecnología PC, cuyas funcionalidades se adaptan con precisión a las tareas específicas del fresado de alta precisión o rectificado por coordenadas de HSC. Dado que Röders ha desarrollado el propio sistema de control sobre la base de PC industriales y el sistema operativo Windows, las actualizaciones tanto del hardware como del software están disponibles bajo petición en cualquier momento, de modo que la obsolescencia de las máquinas por parte de su sistema de control es prácticamente imposible.

Gracias al uso de fresadoras modernas y de alta precisión de 5 ejes con equipos para rectificado de Röders, la empresa tiene mucha libertad en el diseño de geometrías tridimensionales complejas. Esto permite al cliente producir componentes que antes se consideraban antieconómicos de fabricar de esta forma. Se pueden lograr altas relaciones de aspecto de hasta 5:1, desviaciones de paso de menos de 5 μm, tolerancias dimensionales de menos de 3 μm, dimensiones estructurales mínimas de 300 μm y valores de rugosidad superficial  Ra de menos de 8 nm. Para los orificios, se dice que las desviaciones de redondez de solo 2 μm se realizan incluso a gran profundidad.

Asociación para el desarrollo con los usuarios

“Estamos lidiando con una tecnología de fabricación que todavía es un territorio nuevo para la mayoría de los diseñadores. Por lo tanto, apoyamos a nuestros clientes con nuestro know-how especial”, dice O. Seidel.  A pesar del equipo todavía pequeño, esto es posible gracias al hecho de que toda la cadena de procesos está en gran medida automatizada. Todos los procesos, desde el diseño CAD hasta la implementación de CAM y desde el procesamiento hasta el aseguramiento de la calidad, están completamente digitalizados.  

Las piezas de trabajo se fijan en palets con un sistema de sujeción de punto cero de Erowa, que garantiza una alta precisión de repetición y, por lo tanto, se pueden transferir desde los centros de mecanizado al sistema de medición por coordenadas y viceversa sin pérdida de precisión.

El sistema de medición Werth no solo tiene las sondas habituales, sino también un sensor de luz blanca y una sonda de fibra que no daña las superficies pulidas.

Debido a varios años de intensa preocupación por el procesamiento de vidrios y materiales frágiles utilizando centros de procesamiento de 5 ejes, que comenzaron mucho antes de que se creara la empresa, los fundadores adquirieron un amplio conocimiento con respecto a sistemas, software y posibles aplicaciones.

Una fuerza impulsora desde el principio: Anett Jahn tiene años de experiencia en la programación y operación de centros de mecanizado de Röders.

Un ejemplo son las geometrías de ajuste que se pueden integrar directamente en piezas ópticas o superficies de forma libre. Esto permite que los componentes se unan a la aplicación final con precisión micrométrica, incluso sin elementos de ajuste. Además, utilizando el rectificado de 5 ejes, no solo es posible crear orificios en vidrio, sino incluso hilos. Otra ventaja para los clientes es la posibilidad de utilizar herramientas de rectificado adaptadas a sus propios diseños. Por ejemplo, los socavones o agujeros con una geometría más compleja no son un problema.  Del mismo modo, la producción a menudo problemática de transiciones de bordes afilados también se domina sin que los bordes se rompan.

La digitalización y automatización consistentes de la producción, así como el control de calidad, permiten variantes útiles en la visualización de desviaciones, así como correcciones rápidas al proceso.

Buena experiencia con Röders

“Hemos tenido una buena experiencia con el fabricante Röders como socio en el lado de la máquina durante muchos años”, enfatiza A. Jahn. La colaboración comenzó durante una pasantía que completó hace años en Röders en relación con su preparación sistemática para fundar la empresa. Aquí recibió una amplia  capacitación adicional en los posibles usos y manejo del sistema Röders y sus controles, y también recibió apoyo en la implementación de sus ideas para procesar materiales duros y frágiles. La programación del control RMS6 basado en Windows desarrollado por Röders había demostrado ser intuitiva y, por lo tanto, fácil de aprender.

También fue fácil implementar los propios ciclos de  mecanizado con el sistema de control RMS6, ya que ofrece amplias funciones para potentes rutinas de programación para los casos en que los ciclos Heidenhain® existentes son insuficientes. Esto le ayudó a crear sus primeros programas de mecanizado muy rápidamente.

Una base sólida para el crecimiento futuro

“Al iniciar nuestra empresa, prestamos mucha atención a una preparación minuciosa y a una financiación sólida”, explica A. Helming. El equipo se había preparado sistemáticamente para la fase de puesta en marcha durante años. El apoyo decisivo fue proporcionado por la subvención inicial EXIST del gobierno federal, por la Universidad de Ciencias Aplicadas Ernst Abbe en Jena y por el apoyo activo de Röders. Durante el transcurso de la  pasantía,  la dirección de Röders reconoció el potencial de la idea y decidió otorgar apoyo  material a los fundadores. En la difícil fase inicial de la puesta en marcha, cuando uno no habría previsto adquirir un sistema de mecanizado, Röders estaba listo para proporcionar una máquina en régimen de alquiler. Esto permitió a la empresa abastecer a sus primeros clientes desde el principio, generar ingresos y construir una base de clientes, y también desarrollar aún más la tecnología de mecanizado.

Desde entonces, la empresa ya  ha podido comprar una  segunda máquina, atraer una base de clientes amplia y en rápido crecimiento y lograr una buena utilización de la capacidad. “Estamos particularmente seguros de los numerosos proyectos de desarrollo con los que los clientes industriales se acercan a nosotros, porque percibimos un enorme potencial para las aplicaciones en serie detrás de ellos “, dice A. Helming con una sonrisa.

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