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.