Micro y preciso: exigentes mercados en crecimiento

Harkaitz Urreta, de IK4-Ideko, es experto en tecnologías de microfabricación y procesos de ultraprecisión. En el siguiente artículo explica algunos de los aspectos más destacados en la microfabricación, comenta los procesos que comprende y sus medios y sistemas productivos, repasando todo el proceso hasta la verificación de piezas para garantizar los estrictos requerimientos de calidad. Termina con interesantes comentarios sobre los mercados y sectores de interés.

Los procesos de microfabricación se dividen principalmente entre la Microingeniería y los Microsistemas. La microingeniería concierne a los procesos escalados para microfabricación, tales como el microfresado/taladrado, microtorneado y la fabricación a punta de diamante, láser con haz de duración ultracorta que es un láser pulsado pero que en vez de trabajar a mili/nanosegundos, que es lo habitual en industria, pasar a pico-femto segundosdonde el preceso se puede calificar como “frío”, obteniendo una elevada calidad de la zona afectada, aunque a costa de unas tasas de ablación bajas.
Un producto pertenece al ámbito de microfabricación cuando al menos una de sus características funcionales en más de una dimensión es del orden de la micra. Si hablamos en una dimensión tendremos piezas de precisión, piezas grandes o pequeñas, y si es de muy alta precisión (<1micra) se habla de ultraprecisión. Cuando el sistema es micro pero en los 3 grados de libertad estamos hablando de sistemas MEMS, lindando con el mundo nano. Y entre el nano y la precisión está el mundo meso que son piezas pequeñas, milimétricas pero con requerimientos de precisión micrométricos o submicrométricos, sobre todo en rugosidad, donde ya se definen especificaciones nanométricas en algunas piezas, sobre todo en temas ópticos.
Otra forma de definir lo micro es por el tamaño de detalle de la pieza mecanizada. Que el tamaño sea pequeño no implica necesariamente que esa pieza tenga que ser micro y lo podemos ilustrar con tres ejemplos. El primer caso es una columna esbelta de 100 micras de diámetro y 6 milímetros de longitud. La siguiente es una tobera con 100 micras de barra con un taladrado en medio. El último ejemplo son unas ranuras típicas para estanquización o microfluídica con forma en cuña. De estos tres casos solamente uno de ellos se puede considerar micro. El primero no es micro porque la pieza la podemos mecanizar por ejemplo con una fresa de 120mm de diámetro, todo ello evidentemente si tenemos una buena máquina y la fresa no tiene salto. El detalle, en este caso, aunque sea pequeño, no está mecanizado con una herramienta que necesariamente tenga que ser micro. El segundo es una pieza que tiene algo de trampa, la parte exterior no es micro aunque sea muy pequeña porque también al ser contorneado exterior podemos hacerlo con cualquier herramienta precisa pero sin ser micro. En cambio el taladrado que precisa la pieza sí lo es. El tercer ejemplo es el único que es totalmente micro porque la forma de conseguir la pieza es con una herramienta micro.
La definición académica es la relación entre el radio de la arista de la herramienta y el espesor de la viruta que se está mecanizando. Por eso ahora tiene sentido los tres ejemplos expuestos de los cuales solamente uno se puede considerar micromecanizado.
Cuando hablamos de un mecanizado convencional el radio de la punta de la herramienta no es del mismo orden que el espesor de la viruta y se puede tomar como un ángulo recto. En cambio, en el campo del micromecanizado el radio de arista de la herramienta y el espesor de viruta son del mismo orden. En función del espesor de viruta que vayamos a mecanizar, cuando éste es muy pequeño la superficie apenas se está deformando elásticamente, por lo que no hay ni deformación plástica ni arranque de material. Pero a medida que se va aumentando el espesor de la pasada, se empieza a deformar y arrancar el material. En los límites de esta frontera es donde se mueve el micromecanizado y tiene sentido esta definición y proceso de arranque.

Los procesos
Los procesos comprendidos en microfabricación son varios y diversos. Por un lado, los que provienen del mundo del silicio, principalmente orientados a la fabricación de MEMS y componentes en dos dimensiones, por otro lado, las tecnologías de microingeniería que serían el escalado de los procesos de fabricación conocidos al mundo micro, con menor restricción de materiales y en tres dimensiones. En una segunda etapa tenemos los asistidos por energía donde estarían principalmente el láser, EDM… Y en la última fase para la producción en masa tendríamos los métodos de replicación siendo el más significativa, la microinyección.
En IK4-IDEKO nos hemos especializado en las tecnologías de microingeniería por ser los procesos más cercanos a las existentes en el tejido industrial del entorno: microfresado, microtorenado y láser-ablación especialmente.