RICERCA ITALIANA     

Micromachining: lavorazione e finitura di microparti

Politecnico di Torino

Abstract

Scopo del presente progetto è quello di riunire esperienze ed interessi sulle microlavorazioni, esistenti in alcune importanti sedi universitarie, allo scopo di creare una base di sviluppo di questa tecnologia nel nostro paese riempiendo un vuoto di conoscenze che si ritiene particolarmente grave.
Il progetto può essere diviso in tre parti principali:
a. microlavorazioni con asportazione di materiale (Politecnico di Torino (2 Unità), Politecnico di Milano);
b. microlavorazioni non convenzionali (Università di Pisa)
c. microfinitura (Università di Roma Tor Vergata) <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Rosolino Ippolito Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Negli ultimi anni si è assistito ad un costante aumento dell’interesse verso le microlavorazioni di ogni settore industriale: dall’aerospazio alle applicazioni medicali e al settore automotive. Il potenziale di crescita dei prodotti miniaturizzati è in contino aumento per le loro enormi possibilità d’impiego .
Le microlavorazioni trovano applicazioni nella fabbricazione di una grande varietà di prodotti quali:

• Componenti medicali
• Micro stampi
• Attrezzature per l’elettronica
• MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-System)
• Circuiti e componenti fluidici
• Micro-valvole
• Filtri
• Attuatori e motori subminiatura

In risposta a questa continua richiesta di miniaturizzazione le aziende hanno sviluppato nuove tecnologie per cogliere quest’importante opportunità ma nel contempo devono sviluppare anche opportuni sistemi di fabbricazione a sostegno di questa crescita.
I processi di fabbricazione di microparti non sono nuovi di per se: EDM, Laser sono da anni impiegati per produrre micro parti; la differenza oggi è il volume di tali componenti da produrre. E’ necessario dunque scalare i processi di lavorazione, oggi impiegati nella macroscala per le produzioni di media-grande serie, di almeno un ordine di grandezza. Di qui l crescente importanza nello studio delle microlavorazioni.
Quando si parla di microlavorazioni in particolare si vuole intendere la lavorazione di particolari o stampi di dimensioni complessive minori di 10 mm e dimensioni delle singole features inferiori a 0.1 mm. Con queste dimensioni la più piccola variazione nel processo di lavorazione dovuta al materiale lavorato o alle caratteristiche dell’utensile, a variazioni termiche nella macchina o a vibrazioni potrà avere un impatto devastante sulla possibilità di realizzare features di questo tipo in una produzione di serie.
La tabella 1 riassume le principali microlavorazioni con l’indicazione delle dimensioni minime su cui è in grado di operare.
L’obiettivo di questo progetto e’ di creare il know-how necessario a supportare le tecnologie di prodotto/processo idonee ad essere impiegate nella lavorazione meccanica e nella finitura di prodotti miniaturizzati .
Il progetto affronterà tematiche di ricerca connesse agli aspetti di processo, cioè alle strategie di lavorazione con cui determinate features possono essere realizzate nella maniera più efficace ed efficiente in funzione della qualità finale.
La conoscenza dei fenomeni collegati con i processi di lavorazione e dei parametri che li sostengono rappresenta un elemento fondamentale per poter sostenere il passaggio delle tecniche di micro-fabbricazione da una dimensione di produzione di singole parti a quella di una produzione di serie.
Per assicurare al nostro paese un’ importante presenza sul mercato e la necessaria competitività nel settore produttivo nel prossimo decennio è necessario garantire know-how, strutture di ricerca e le necessarie conoscenze tecnologiche necessarie alla produzione di microparti.

Tabella 1

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Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

A causa della crescente richiesta di MEMS nelle ultime due o tre decadi si sono sviluppate numerose tecnologie in grado di rispondere a questa richiesta. Queste però presentano una serie di limitazioni in termini di forme e precisione che potrebbero esser superate dalle lavorazioni ad asportazione di materiale. Vi sono però una serie di fenomeni che nella microscala acquistano prevalenza rispetto alle medesime lavorazioni effettuate in macroscala e che influenzano profondamente la formazione del truciolo, le forze di taglio, la stabilità del processo. Per esempio il raggio di raccordo del tagliente è dello stesso ordine di grandezza dello spessore del truciolo. Ciò porta a tagliare con angoli di spoglia frontale negativi (12). Questa situazione ha un profondo impatto sulle forze di taglio, sulla stabilità del processo e quindi sulla finitura superficiale della superficie lavorata (11).
Altro aspetto è che in microscala la geometria di taglio è dello stesso ordine di grandezza delle dimensione dei grani cristallini. Ad esempio tagliando un materiale ferroso il tagliente può esser a contato solo con ferrite o solo con perlite alterando naturalmente l’andamento delle forze di taglio , come riportato da numerosi autori (Lucca, Taminiau &amp; Dautzemberg, …).
L’importanza dell’argomento è documentata dall’imponente bibliografia a riguardo pubblicata negli ultimi 10..15 anni. Ciò malgrado ci sono argomenti ancora completamenti aperti (13) come:
- Danneggiamenti della superficie lavorata
- Aspetti termici nella microlavorazione
- Generazione delle superfici e fenomeni che la influenzano
- Dinamica delle microlavorazioni
Tra le microlavorazioni particolarmente significativa per la molteplicità delel applicazioni è sicuramente la microforatura:
La letteratura specifica del settore riporta lavori nei diversi ambiti di interesse per lo studio, la caratterizzazione degli utensili e l’applicazione di tale lavorazione; si passa dalla definizione delle geometrie delle punte [29,30], alla scelta e caratterizzazione dei materiali per utensili e dei rivestimenti più opportuni [31] per arrivare alla misura della qualità ottenuta [32] e al controllo di processo [33]. Altri lavori si occupano dello studio della dinamica delle micropunte [34] e della loro simulazione FEM [35]. Infine, esistono diversi lavori più orientati al processo e all’applicazione della microforatura: viene trattata la possibilità di aggiungere, al normale moto dell’utensile in foratura, una vibrazione assiale al fine di migliorare la finitura e la vita utensile si considera il problema della formazione di bave in uscita e della centratura del pezzo in lavorazione vengono studiate applicazioni particolari su materiali target specifici come la ceramica [36].
Un ruolo fondamentale nelle micro lavorazioni con utensili rotanti è svolto poi dai supporti dei mandrini, in riferimento sia alle problematiche di instabilità da whirling sia alla possibilità di ottenere elevate rigidezze. I cuscinetti ad aria rappresentano una soluzione innovativa in quanto presentano diversi vantaggi: contenimento delle perdite energetiche per via della ridottissima viscosità dell’aria, sufficienti rigidezza e capacità di carico per molte applicazioni, assenza di contatto, di usura e di fatica tra le superfici in moto relativo il che comporta grande affidabilità e lunga durata.
Gli svantaggi però dei dei supporti ad aria che occorre superare sono principalmente:
- bassa capacità di carico relativamente ai cuscinetti a sfere e oleodinamici;
- problemi di vibrazioni e instabilità da whirling alle elevate velocità;
- scarsa conoscenza dei metodi e delle tecniche per la progettazione dei supporti stessi soprattutto quando questi operano ad alta velocità.
Gli studi condotti sui rotori con supporti a gas sono numerosissimi e sono stati condotti sia mediante approcci teorici, con lo sviluppo di modelli di calcolo, sia mediante tecniche sperimentali su banchi prova appositamente progettati, ad esempio [17].
Per quanto riguarda le problematiche di alimentazione e di distribuzione dell'aria compressa nel supporto vengono utilizzati sistemi di alimentazione in genere costituiti da fori di diversa forma: due tipiche soluzioni sono il foro senza tasca (annular orifice) e il foro con tasca (simple orifice with feed pocket). Tali sistemi, di norma, vengono caratterizzati tramite un coefficiente di efflusso che può essere costante o dipendente da parametri geometrici o di flusso Più recentemente sono stati sviluppati sistemi innovativi sia per quanto riguarda i dispositivi di alimentazione (materiali porosi microfori sia per quanto riguarda i dispositivi di distribuzione (scanalature, microlavorazioni superficiali .
Numerosi studi sono stati fatti sulle problematiche di comportamento dinamico e di vibrazioni e instabilità da whirling [16] al fine di migliorare le prestazioni dei supporti a gas.
Tra le diverse tecnologie di microlavorazione, quelle basate sulla rimozione per dissoluzione elettrochimica sembrano essere molto promettenti. Le microlavorazioni per dissoluzione si basano sul principio della dissoluzione elettrochimica in liquido e in particolare sulla reazione di dissoluzione in ioni della superficie del pezzo in lavorazione.
L’elettrochemical etching è un metodo efficace per la produzione di un’ampia varietà di parti e microparti marcatamente tridimensionali per uso aerospaziale, automobilistico e medicale. Perfino nell’industria elettronica vi sono degli esempi [1] di prodotti realizzati mediante ECM. Tali prodotti sono stati realizzati grazie ai recenti progressi che si sono avuti nelle lavorazioni ECM in termini di precisione ed accuratezza.
In particolare l’ECM presenta molti vantaggi rispetto alle tradizionali lavorazioni tra cui [6] [7]:
° La forza di lavorazione sul pezzo è pressoché nulla;
° La superficie non è danneggiata dopo la lavorazione (assenza di rilievi, micro fratture o distorsioni superficiali); assenza di stress residui o danneggiamenti termici sulle strutture realizzate e conseguentemene anche di modifiche delle proprietà dei materiali utilizzati;
° Le proprietà meccaniche del pezzo non influenzano la tecnologia di lavorazione (assenza di usura dell’utensile);
° Un’alta qualità della superficie (liscia e a specchio) è facilmente ottenibile;
° un’elevata produttività;
° La possibilità di Realizzare componenti a geometria complessa.
Inoltre, l’ECM è un processo che non rimuove il materiale forma macroscopica come nel caso del truciolo (fresatura, foratura) o in quello della fusione ed evaporazione (elettroerosione e microtaglio al laser), ma è basato sulla dissoluzione anodica elettrochimica (secondo la legge di Faraday) del pezzo in lavorazione.
Nonostante questi vantaggi, molti aspetti di tale processo richiedono ulteriori sforzi di ricerca e sviluppo sia da un punto di vista tecnico che in quello del riciclaggio dell’eletttrolita e del materiale residuo ivi disciolto nel rispetto ambientale. Il residuo fortunatamente diminuisce al diminuire delle dimensioni de pezzo in lavorazione: è quindi minimo nella micro ECM [3].
Nella micro ECM le problematiche tecnoclogiche ancora aperte sono le seguenti:
1. La progettazione dell’utensile rappresenta la sfida maggiore perché è un processo che ancora non è stato trattato in modo scientifico. Questa ha a che fare con lo studio della forma del catodo in grado di generare figure (pattern) corrette sul pezzo in lavorazione (pb. di dimensione, accuratezza, forma finale, e rugosità superficiale [3][7]).
2. Ulteriori problemi sono il controllo on-line dello spazio tra l’elettrodo e il pezzo in lavorazione, che varia con la direzione dell’elettrolita, con la sua velocità, con la profondità delle forma da realizzarsi.
3. Il monitoraggio del processo dipende dalla determinazione dei parametri ottimali come il tipo dell’elettttrolita, la temperatura di processo, la velocità e la direzione dell’elettrolita, ecc. [3].
4. Il Controllo finale e misura ad esempio della rugosità ottenuta è particolarmente difficile se si utilizzano gli strumenti standard a stilo. Ulteriori difficoltà nella misura sono dovute alla dimensione limitata delle forme come i microfori, le micro strutture, i micro stampi ecc. che richiedono sistemi metrologici diversi da quelli tradizionali ([8][9][10]).
Per operazione di micro-finitura di componenti assial-simmetrici realizzati in materiali ad alta resistenza quali leghe a base di Nichel, Cermets e compositi a matrice metallica si può pensare d’impiegare un sistema a letto fluido abrasivo. Come noto, tali materiali presentano eccellenti proprietà meccaniche quali elevato carico di snervamento, modulo elastico e durezza superficiale che rendono estremamente insidiose le lavorazioni di finitura. In particolare, quando si vogliono effettuare lavorazioni di finitura su scala micro, tali problemi risultano esasperati in quanto le tecnologie standard (quali rettifica, AFM, spazzolatura meccanica, …) spesso non sono in grado di assicurare la conformità del componente ai requisiti di qualità richiesti in termini di livello di finitura conseguito e rispetto delle tolleranze dimensionali. Allo stesso modo, le tecniche di rettifica (di gran lunga le più diffuse in molteplici settori industriali) possono provocare gravi danni alla superficie del pezzo in lavorazione come risultato delle vibrazioni associate al processo stesso e sono di difficile applicabilità in scala micro. Non esistono specifici riferimenti nella bibliografia essendo l’idea del tutto innovativa. <<<