Cambiando las fronteras de la microelectroerosión

 

Para superar los límites de los equipos de electroerosión convencionales, esta empresa alemana de moldeo por inyección adoptó la tecnología atípica de “fresado” por microelectroerosión para mecanizar moldes pequeños de piezas pequeñas y críticas moldeadas por inyección.

 

PKT Präzisions-Kunststoff-Teile, based in Tiefenbronn, Germany, starts where some manufacturers stop. The medium-sized company with some 120 employees specializes in injection molding of small precision components weighing from 0.002 to 30 grams for customers in the precision engineering, medical, automotive, electronics and watch-making industries. In order to meet its customers’ high demands for quality, the company manufactures its precision molds in house. However, producing plastic parts at such a small scale is not without big metal-machining challenges.

With customers demanding ever smaller components and increasingly finer contour details, the company’s existing machining technologies had reached their limits, Managing Director Peter Rapp explains. Many mold inserts are made of hard-to-machine tungsten carbide or special tool steels, and feature intricate micro-geometries. Conventional micro-milling, and even die-sinking and wire EDM are not always capable of creating those necessary micro-geometries.

One example he cites of conventional EDM having reached its limit is in machining molds for the gear wheels the company produces for use in watches, stepper motors in automotive devices and cockpit instruments. The company ruled out wire EDM for machining the mold inserts for these gears because there was no electrode wire material available with a diameter significantly smaller than the required minimum radius of 25 microns for the gearwheel tooth tips that could also provide the required spark gap of 7 to 10 microns.

To wire-EDM this insert, the insert would have had to be divided on each tooth tip, Mr. Rapp explains. “This is virtually impossible with gears like this one, which feature 60 to 100 teeth, because the mold would become an impossibly complicated, high-precision puzzle of tiny parts,” he says.

In addition, he says the use of wire EDM is further restricted if the workpiece geometry also requires three-axis machining. To mill the gear geometry would require a milling cutter with a maximum diameter of 10 microns, and this type of cutter is not available for the materials to be machined. Laser ablation was also considered, but Mr. Rapp says that process was rejected because of the conicity generated by the ablation saturation during laser cutting.

In its quest for suitable technologies, PKT became aware of the micro-EDM process developed by Swiss company Sarix (Sarix equipment is available in the United States from Alouette Tool in Fairport, New York). Its 3D micro-milling process is similar to die-sinking EDM, except that the electrode does not represent a geometric negative of the desired mold cavity. Instead, the electrode is an extremely thin rotating rod that, like a milling tool, moves along the workpiece, thereby removing material by spark erosion. The rotation of the rod is said to help ensure concentricity, cause even wear and support the flushing process.

Angelo Quadroni, Sarix CEO, says a special feature of the company’s technology is that this tool is produced on the machine itself. Sarix EDMs are micro-EDM hole drills and micro-EDM sinkers combined. The solid or hollow electrodes drill holes as small as 10 microns in diameter and as large as 3 mm. High-speed drilling (to 50 mm/min.) of holes ranging to 100-1 depth-to-diameter ratio and surface finishes as fine as 0.05 micron (2 microinches) Ra are said to be achievable, thanks to the SX-MFPS micro-fine pulse shape generator. The three-axis machines come with optional A-, B- and C-axis rotary positioning; extended Z-axis travel; and both oil and water dielectric systems.

The machines can be used as multi-axis CNC sinkers and as a micro-mills to machine micro-molds with complex small features, such as those required by PKT. The tool for micro-milling is a rod electrode that is available in a variety of diameters. To make the electrode fit the requirements of micro-milling, it is tapered to a diameter of about 7 to 10 microns by wire EDM on a dressing station that can be optionally integrated into the machine. According to Sarix, this small micro-rod electrode makes it possible to machine arc radii as small as 6 microns with a positioning accuracy of ±1 micron, thanks to glass scales and optimum motion control technology.

The ablation itself takes place through extremely fine and ultra-short micro-pulses in the nano-second range, for which special power electronics were developed. The Sarix pulse generator is integrated into the head of the machine, close to the workpiece, to achieve short pulse durations. The resulting spark gap depends on the selected machining parameters and can vary between 2 and 20 microns. The feed intervals of the Z axis are less than 1 micron during finishing passes, Mr. Quadroni says.

Another feature of this technology is that the processing is not carried out in a liquid bath, but the dielectric is supplied as a splash shower. This is commonly used in micro-EDM to flush the minute spherical chips that are eroded from the workpiece and the electrode.

The controller monitors the process by means of appropriate sensors, and continuously adapts the tool path and machining parameters. Dimensional monitoring of the electrode is carried out using a highly precise laser with sub-micron resolution. As soon as the tool has reached a defined wear condition, the process is interrupted and the electrode is transferred to the dressing station where the worn tip is capped and remachined to the required diameter.

According to Sarix, since the complete machining process is performed in one clamping, accuracy also is increased. Mr. Quadroni says the clamping of the electrode is critical, too, because the electrode has to be redressed and therefore advanced in its clamping during the process. “This mechanism must work extremely precise in order to avoid axial misalignment,” he explains.

“We immediately realized that the technology was perfectly suitable for our needs, but operator training for this type of machine was very important,” Mr. Rapp says. “The Sarix technology and its in-house-developed CAM software are user-friendly, but in order to take full advantage of the machine, an in-depth knowledge of the machine and the process is necessary. Sarix definitely provided the necessary support.”

PKT Präzisions-Kunststoff-Teile, con sede en Tiefenbronn, Alemania, comienza donde algunos fabricantes se detienen. La empresa de tamaño medio, con unos 120 empleados, se especializa en el moldeo por inyección de pequeños componentes de precisión que pesan de 0.002 a 30 gramos para clientes en las industrias de ingeniería de precisión, médica, automotriz, electrónica y de relojería. Para cumplir con las altas demandas de calidad de sus clientes, la compañía fabrica sus moldes de precisión en casa. Sin embargo, producir piezas de plástico a una escala tan pequeña no deja de tener grandes desafíos en el mecanizado de metales.

Con los clientes exigiendo componentes cada vez más pequeños y detalles de contorno cada vez más finos, las tecnologías de mecanizado existentes de la compañía habían llegado a sus límites, explica el Director Gerente Peter Rapp. Muchos insertos de moldes están hechos de carburo de tungsteno difícil de mecanizar o aceros para herramientas especiales, y cuentan con intrincadas microgeometrías. El microfresado convencional, e incluso la electroerosión por hilo y la electroerosión por inmersión, no siempre son capaces de crear dichas microgeometrías necesarias.

Un ejemplo que cita de las electroerosionadoras convencionales que han alcanzado su límite es en los moldes de mecanizado para las ruedas dentadas que produce la empresa para su uso en relojes, motores de paso en dispositivos automotrices e instrumentos de cabina. La empresa descartó el electroerosionado por hilo para mecanizar los insertos de molde para estos engranajes porque no había material disponible de electrodo con un diámetro significativamente más pequeño que el radio mínimo de 25 micras, requerido para las puntas de los dientes de la rueda, que también pudiera proporcionar el espacio requerido de chispa de 7 a 10 micras.

Para mecanizar con electroerosionado por hilo este inserto, el inserto habría tenido que dividirse en cada punta de diente, explica Rapp. “Esto es prácticamente imposible con engranajes como este, que tienen entre 60 y 100 dientes, porque el molde se convertiría en un rompecabezas increíblemente complicado y de alta precisión de partes diminutas”, explica.

Además, dice que el uso de electroerosión por hilo está aún más restringido si la geometría de la pieza también requiere un mecanizado de tres ejes. Para fresar la geometría del engranaje se requeriría una fresa con un diámetro máximo de 10 micras, y este tipo de herramienta no está disponible para los materiales que se mecanizan. También se consideró la ablación con láser, pero Rapp dice que el proceso fue rechazado debido a la conicidad generada por la saturación de la ablación durante el corte con láser.

En su búsqueda de tecnologías adecuadas, PKT conoció del proceso de microelectroerosionado desarrollado por la compañía suiza Sarix (el equipo Sarix se ofrece en Estados Unidos a través de Alouette Tool en Fairport, Nueva York). Su proceso de microfresado en 3D es similar al electroerosionado de troquelado, excepto que el electrodo no representa un negativo geométrico de la cavidad del molde deseada. En cambio, el electrodo es una varilla giratoria extremadamente delgada que, como una herramienta de fresado, se mueve a lo largo de la pieza de trabajo, eliminando así el material por la erosión de la chispa. Se dice que la rotación de la varilla ayuda a asegurar la concentricidad, causa un desgaste uniforme y apoya el proceso de lavado.

Angelo Quadroni, CEO de Sarix, dice que una característica especial de la tecnología de la compañía es que esta herramienta se produce en la máquina misma. Los equipos de electroerosionado de Sarix son perforadoras de microelectroerosionado y plomadas microelectroerosionadas combinadas. Los electrodos sólidos o huecos perforan orificios tan pequeños como de 10 micras de diámetro y tan grandes como de 3 mm. Se dice que la perforación a alta velocidad (hasta 50 mm/min) de orificios con una relación de profundidad a diámetro de 100-1 y acabados superficiales tan finos como 0,05 micras (2 micropulgadas) Ra, gracias al generador de forma de pulso micro-fino SX-MFPS. Las máquinas de tres ejes vienen con posicionadores rotativos de eje A, B y C opcionales; recorrido extendido del eje Z; y sistemas dieléctricos de aceite y agua.

Las máquinas se pueden utilizar como platinas CNC multieje y como microfresadoras para mecanizar micromoldes con pequeñas características complejas, como las requeridas por PKT. La herramienta para microfresado es un electrodo de varilla que está disponible en una amplia variedad de diámetros. Para hacer que el electrodo se ajuste a los requisitos de microfresado, se estrecha hasta un diámetro de aproximadamente 7 a 10 micras por electroerosionado con hilo en una estación de regenerado que se puede integrar opcionalmente en la máquina. Según Sarix, este pequeño electrodo de microvarilla permite mecanizar radios de arco de hasta 6 micras con una precisión de posicionamiento de ± 1 micra, gracias a las escalas de vidrio y la tecnología óptima de control de movimiento.

La ablación en sí tiene lugar a través de micropulsos extremadamente finos y ultracortos en el rango de nano segundos, para los cuales se desarrollaron componentes electrónicos de potencia especiales. El generador de impulsos Sarix está integrado en el cabezal de la máquina, cerca de la pieza de trabajo, para lograr duraciones de pulso cortas. El espacio de chispa resultante depende de los parámetros de mecanizado seleccionados y puede variar entre 2 y 20 micras. Los intervalos de alimentación del eje Z son menores a 1 micra durante los pases de acabado, dice Quadroni.

Otra característica de esta tecnología es que el procesamiento no se lleva a cabo en un baño de líquido, sino que el dieléctrico se suministra como una ducha contra salpicaduras. Esto se usa comúnmente en microelectroerosionado para eliminar las diminutas astillas esféricas que se erosionan desde la pieza de trabajo y el electrodo.

El controlador monitorea el proceso por medio de sensores apropiados y adapta continuamente la ruta de la herramienta y los parámetros de mecanizado. El control dimensional del electrodo se lleva a cabo utilizando un láser de alta precisión con una resolución submicrónica. Tan pronto como la herramienta ha alcanzado un estado de desgaste definido, el proceso se interrumpe y el electrodo se transfiere a la estación de regenerado donde la punta desgastada se recubre y se remecaniza con el diámetro requerido.

De acuerdo con Sarix, dado que el proceso de mecanizado completo se realiza con una sola sujeción, también aumenta la precisión. Quadroni dice que la sujeción del electrodo también es crítica, porque el electrodo tiene que ser reparado y, por lo tanto, avanzado en su sujeción durante el proceso. “Este mecanismo debe funcionar de manera extremadamente precisa para evitar la desalineación axial”, explica.

“Inmediatamente, nos dimos cuenta de que la tecnología era perfectamente adecuada para nuestras necesidades, pero la capacitación de los operarios para este tipo de máquinas era muy importante”, dice Rapp. “La tecnología Sarix y su software CAM desarrollado internamente son fáciles de usar, pero para aprovechar al máximo la máquina, es necesario un conocimiento profundo de la misma y del proceso. Sarix definitivamente brindó el apoyo necesario”.

 

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