Cuatro aportes para talleres que se inician con el micromecanizado

Cuando Jon Baklund habla sobre el micromecanizado, sus palabras demuestran algo casi como asombro: “Es como si la física normal saliera por la ventana y usted estuviera tratando con algo en el rango de un mundo ‘pre-cuántico’. Sus cortadores se romperán si los toca, pero aun así pueden mecanizar metal. Es una cosa tan extraña, esta dinámica entre la velocidad y el material”.

Ese tinte de asombro dio color a mi discusión con el señor Baklund sobre el camino que recorrió hasta dedicarse al micromecanizado, después de décadas gastadas en el taller trabajando con toda clase de equipos, desde aprender con su padre cómo mecanizar en fresadoras tipo rodilla, hasta la fabricación progresiva de matrices y estrategias de I&D. Con una representación de algo que es un nuevo capítulo para él, el señor Baklund considera que la microescala es más o menos el doble del ancho de un cabello humano, o 0.015 pulgadas y menos, “porque ahí es realmente donde todo cambia”.

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El señor Baklund dice que “muchas compañías están perdiendo su oportunidad”, precisamente en el punto de tomarse el tiempo para aprender cómo hacer virutas en esta escala. Con eso en mente, compartir las lecciones que él ha aprendido en los últimos años vale la pena.

“Nosotros somos, simplemente, un pequeño taller al lado de un cultivo de maíz a las afueras de Hutchinson, Minnesota”, dice el señor Baklund. Pero, al ser los cerebros y el conocimiento detrás de Minnesota Micro Molding, Machining & MFG (M5 para resumir), él y sus cinco empleados han creado un espacio propio haciendo microtrabajo valioso y retador en un campo con relativamente poca competencia (sin tener esa segunda intención). “Generalmente los trabajos que tomamos son los que todos los demás no querían hacer, o decían que no podía hacerse”, dice él, añadiendo con una sonrisa: “Nuestros clientes realmente nos quieren, pero no les gusta el hecho de que no puedan hacerlo en ninguna otra parte”.

Modern Machine Shop ha escrito sobre el señor Baklund en el pasado, al saber de su capacidad como propietario de Baklund R&D. Pero eso fue antes de que comenzara M5 en 2016, dedicando así su trabajo al micromecanizado.

Gran parte del trabajo de M5 es para servir a la industria de dispositivos médicos, aunque también trabaja para las industrias aeroespacial, militar y, ocasionalmente, a la electrónica.

En el último año, la compañía ha añadido capacidades de micromoldeado, lanzando una plataforma de Escritorio de Producción con Micromoldeado que brinda diseño de moldes complejos e inyección de cavidad directa de partes en termoplástico, silicona, metal y bio-absorbible en tamaños de 0.003 pulgadas cúbicas o menores. Al haber comenzado con el micromecanizado, este movimiento era perfectamente natural para M5. Como comenta el señor Baklund: “Si cualquiera nos habla sobre micromecanizado, generalmente la siguiente conversación es sobre micromoldeado: y si estamos hablando a la gente sobre micromoldeado, ellos preguntan si hacemos micromecanizado”.

Primera incursión en el micromecanizado

La primera incursión del señor Baklund en lo micro – un punto de quiebre en su carrera hacia el eventual establecimiento de M5 – se remonta a los últimos días de Baklund R&D. Un cliente necesitaba que el taller mecanizara unos conectores finales en cerámica de fibra óptica e hiciera unas fijaciones del mismo material, que pudieran soportar calor de alta intensidad en una máquina de soldadura por arco. Estas partes eran pequeñas, con características y radios que tenían que mecanizarse con escariadores muy pequeños.

¿El reto? El material en cuestión era circonio totalmente endurecido, llevado hasta 72 HRC.

“Ellos solo preguntaron: ‘¿Usted puede mecanizar esto?’ Y sin haber nunca mecanizado cerámica, yo dije sí”, recuerda el señor Baklund. “Acabamos de comenzar a probar diferentes técnicas”.

“Pensé que todo lo que necesitaba era una máquina muy precisa”, dice él. En consecuencia, ellos renovaron su centro de mecanizado vertical (VMC) CNC con un husillo neumático capaz de alcanzar 175.000 rpm, pero la velocidad de corte no era suficiente. “Las compañías que venden aceleradores de husillo le dirán que usted puede añadir husillos de alta velocidad neumáticos o eléctricos a sus máquinas actuales, y estará listo para operarlas. Nada de eso funciona correctamente. Usted puede, por supuesto, hacer más de lo que podía antes de añadir esas capacidades, pero el camino real al micromecanizado verdadero es uno que probará sus habilidades y su imaginación”.

Sobre lo último, el señor Baklund recuerda irónicamente que la solución que ellos escogieron le apareció una noche en un sueño, después de ir a la cama evaluando el problema.

La lección de la masa reciprocante en micropiezas

Lo que el taller aprendió fue el problema de la “masa reciprocante”, que son las limitaciones de las máquinas grandes moviendo masas grandes para hacer cortes pequeños.

“Usted no puede, simplemente, comprar una máquina de un millón de dólares y esperar que haga el micro si no está construida para eso”, dice él. El micromecanizado en una fresadora de tamaño estándar significa que cualquier problema que tenga se amplificará a medida que la escala de la parte disminuya. “Los problemas se mostrarán como malos acabados, o usted pensará que su fresadora tiene filos romos o desportillados, y verá líneas en sus acabados que se verán como superpuestos uno sobre otro”.

Esto, explica, es porque una máquina como esa tiene mucho peso y se le pide cambiar de dirección muy rápidamente, lo que resulta en un efecto de péndulo axial en el nivel micro. En el caso del VMC que Baklund R&D estaba usando, sólo su columna pesaba alrededor de 7.500 libras. Mover esta columna hacia atrás y hacia adelante a tasas hasta de 160 millas por hora para mover un escariador de 0.003 pulgadas a través de pasos de 0.0005 pulgadas, por ejemplo, simplemente no va a funcionar. Las tasas de avance tienen que reducirse drásticamente en tal caso.

El proyecto de circonio “realmente impulsó nuestro pensamiento”, dice el señor Baklund. El cliente había tratado con otras compañías, pero nadie más había podido imaginar cómo lograr lo que estas partes cerámicas requerían. Según el señor Baklund, él y sus colegas no sabían lo suficiente para saber de entrada que no se suponía que fueran capaces de mecanizar efectivamente el circonio de 72 HRC, un material que, él dice, usualmente recibe sólo cortes rectos mediante rectificado debido a su dureza.

Después de este proyecto, el señor Baklund adquirió una máquina de fresado horizontal Microlution 363 con motores lineales y un cabezal de husillo con masas muy pequeñas y un recorrido de mesa de sólo 2.5 por 2.5 pulgadas. Los motores lineales permiten algo mucho más cercano a arranques y paradas instantáneos, solucionando el problema de la masa reciprocante que tiene el VMC de tamaño completo. M5 actualmente tiene cuatro fresadoras capaces de realizar micromecanizado.

Cuatro consideraciones para talleres que inician con el micromecanizado

Mirando la experiencia de M5 con el micromecanizado en los últimos años, las reflexiones del señor Baklund revelan varias claves que los talleres que buscan entrar al microtrabajo deberían tener en mente.

1. Filosofía

Primero y sobre todo, un taller puede tener que hacer algunos cambios en su pensamiento antes de comenzar. “Debido a que cada trabajo es diferente, y en el micro nivel todos los materiales son muy diferentes, usted necesita ser capaz de pensar en todo el proceso antes de comenzar”, dice el señor Baklund, añadiendo que el micromecanizado requiere un enfoque diferente al del mecanizado general. “No es sólo meter números a una máquina y dejarla que haga el trabajo. Es entender los materiales, los cortadores, el refrigerante, las velocidades y avances, el resultado final que usted espera, todo”.

Al recordar su experiencia con la fabricación de matrices progresivas, que requiere un entendimiento particularmente agudo de materiales, separaciones, fuerzas de corte y demás, el señor Baklund sugiere que el micromecanizado es tanto un arte como una ciencia, en la cual el mecánico-como-artesano desarrolla un entendimiento intuitivo o “sentimiento” para las relaciones entre todos los elementos que interactúan en un proyecto, así como un entendimiento abstracto de la programación y los cálculos.

En torno a su experiencia en I&D, él aconseja a los talleres que están entrando al micromecanizado “tomarlo con calma” y darle a aquellos que tienen interés y aptitud la libertad de probar nuevas cosas y experimentar. “Simplemente tómense su tiempo, prueben cosas diferentes y no arruinen nada. Veamos cómo podemos hacer este trabajo”, dice él a sus mecánicos, reflejando que “el incentivo por hacer algo nuevo, para un mecánico, es generalmente suficiente incentivo para hacer que algo trabaje. Los mecánicos desean construir cosas nuevas todo el tiempo”.

2. Planeación

Como parte de moverse hacia un enfoque holístico de un proyecto dado, la planeación se vuelve muy importante. Las sorpresas ocurren, pero cuando la escala es tan pequeña, se necesitan minimizar del todo de ser posible, lo que significa que “la planeación de su proyecto es completamente diferente”.

El señor Baklund cita la sujeción de trabajos como un ejemplo importante: “Una vez usted mecaniza una parte pequeña, encontrar un sitio para colgarla para una segunda operación es increíblemente difícil. Generalmente, estas partes pequeñas no son sólo partes pequeñas y cuadradas; generalmente, son partes pequeñas con muchos filos, muchos ángulos, radios interiores y exteriores”. Mientras que una parte que es lo suficientemente grande, como para ser sostenida en su mano, puede ser sujetada en una segunda operación, si una microparte no tiene una superficie ideal para agarrarla, “realmente usted tiene que gastar algún tiempo imaginando cómo va a mecanizarla y cómo va a terminarla”.

Como resultado, M5 hace la mayoría de sus propias fijaciones usando electroerosionadoras de hilo.

3. Mecanizado

Repitiendo el mantra “tómelo con calma”, el señor Baklund le recuerda a los talleres que están experimentando con aceleradores de husillo y usando equipo existente, que estas máquinas de grandes masas necesitan tasas de avance más lentas junto con rpms más altas: “Usted no desea poner las velocidades y avances que necesitan las fresadoras pequeñas en una máquina que no está construida para eso. Usted tiene que ir lento, de otra forma obtendrá muchos errores. Entonces pensará que su máquina no puede hacerlo”. Por el contrario, sí se puede hacer.

Dicho esto, hay una razón por la que las cuatro microfresadoras de M5 están construidas específicamente con el micromecanizado en mente. “El micro toma un subconjunto muy específico de cualidades en una máquina para hacerlo correctamente”, dice el señor Baklund.

4. Acabado e inspección

El acabado de micropartes presenta un nuevo reto, ya que los errores del mecanizado pueden ser demasiado pequeños para ver a simple vista. Aunque pueden usarse calibradores algunas veces en ciertas características, usualmente se necesita algo más para inspeccionar apropiadamente esas piezas de trabajo pequeñas. Como resultado, M5 confía en microscopios, sistemas de visión y comparadores ópticos para su inspección.

Las microrrebabas (tales como esas que se ven bajo el microscopio en la segunda foto de la presentación de arriba) generalmente tienen que ser retiradas a mano, según el alcance. Algunas partes pueden ser aptas para ser limpiadas a chorro con una ligera niebla de bolitas de vidrio, pero muy a menudo, estas bolitas son muy grandes para caber en la ranura de una pieza de trabajo micro como la referenciada atrás, con ranuras de apenas 0.005 pulgadas. Por otro lado, el electropulido tiene el riesgo de romper los filos en las características de una parte, produciendo filos redondeados, que es un problema propio. En la microescala, los filos que no son cuadrados implican que efectivamente no hay característica – un resultado inaceptable para, digamos, un micromolde. Uno no pone un chaflán de 0.005 pulgadas en una cara de 0.005 pulgadas, señala con sorna el señor Baklund.

Algunas veces, las partes pueden ser desbarbadas en la máquina corriendo simplemente pasadas en blanco en la parte. Sin embargo, esto también necesita incluirse en la planeación del proyecto, ya que, si un mecánico completa la parte y la retira de la máquina antes de probar esto, luego ya no será posible.