Como é que o fabrico moderno consegue uma precisão quase perfeita? As técnicas de maquinagem de ultraprecisão permitem uma precisão espantosa, atingindo níveis sub-micrónicos e nanométricos. Este artigo explora métodos como o corte de ultra-precisão, a retificação, a lapidação e as tecnologias de processamento especiais. Os leitores ficarão a conhecer as ferramentas e tecnologias que tornam possível esta precisão e as indústrias que beneficiam destes avanços.
A maquinagem de ultraprecisão refere-se a processos de fabrico de precisão que atingem níveis extremamente elevados de precisão e qualidade de superfície. A sua definição é relativa, mudando com os avanços tecnológicos.
Atualmente, esta técnica permite obter dimensões e formas ao nível sub-micrónico e mesmo nanométrico, com uma rugosidade superficial à escala nanométrica. Os métodos de maquinagem de ultraprecisão incluem o corte de ultraprecisão (como o torneamento e a fresagem de ultraprecisão), a retificação de ultraprecisão, a lapidação de ultraprecisão e o processamento especial de ultraprecisão.
O corte de ultraprecisão envolve principalmente o torneamento com ferramentas diamantadas, utilizadas sobretudo para maquinar ligas não ferrosas, vidro ótico, mármore e materiais não metálicos, como placas de fibra de carbono. A elevada precisão alcançada no corte de ultra-precisão deve-se à baixa afinidade entre as ferramentas diamantadas e as ligas não ferrosas, juntamente com a sua excelente dureza, resistência ao desgaste e condutividade térmica.
Além disso, no corte de ultraprecisão, são adoptados rolamentos de ar de alta precisão, guias flutuantes de ar, componentes de deteção de posicionamento e medidas como temperatura constante, isolamento de vibrações e amortecimento de vibrações.
Isto garante um valor de rugosidade superficial Ra inferior a 0,025 μm e uma precisão geométrica até 0,1 μm, tornando o corte de ultraprecisão cada vez mais popular nas aplicações aeroespaciais, ópticas e civis, avançando para uma maior precisão.
A retificação de ultra-precisão é um método de processamento de nível sub-micrónico, progredindo para o nível nanométrico. Refere-se a um método de retificação que atinge uma precisão de processamento de 0,1 μm ou superior e um valor de rugosidade superficial Ra inferior a 0,025 μm, adequado para o processamento de materiais duros e frágeis como o aço, a cerâmica e o vidro.
Os processos tradicionais de retificação e polimento podem ser eliminados através da retificação de ultraprecisão para obter a rugosidade superficial necessária. Para além de garantir formas e dimensões geométricas exactas, é possível obter uma rugosidade de superfície espelhada através da retificação de ultraprecisão.
A lapidação de ultra-precisão inclui lapidação mecânica, lapidação quimio-mecânica, lapidação flutuante, maquinação por emissão elástica e lapidação magnética. A tolerância de excentricidade esférica das peças processadas por lapidação de ultraprecisão pode atingir 0,025μm e o valor Ra da rugosidade da superfície pode atingir 0,003μm.
As principais condições para a lapidação de ultra-precisão são o controlo preciso da temperatura, o processamento sem vibrações, um ambiente limpo e partículas abrasivas pequenas e uniformes. São também indispensáveis métodos de deteção de alta precisão.
A tecnologia de processamento especial de ultra-precisão é reconhecida internacionalmente como uma das tecnologias mais promissoras do século XXI. Refere-se a métodos de processamento que utilizam formas de energia como a energia eléctrica, térmica, ótica, eletroquímica, química, acústica e mecânica especial para remover ou adicionar material.
Os principais objectos de aplicação incluem materiais difíceis de processar (como ligas de titânio, aço inoxidável resistente ao calor, aço de alta resistência, compósitos, cerâmicas de engenharia, diamante, rubi, vidro endurecido e outros materiais de alta dureza, alta tenacidade, alta resistência e alto ponto de fusão), peças difíceis de processar (como cavidades tridimensionais complexas, orifícios, orifícios de grupo e ranhuras estreitas), peças de baixa rigidez (como peças de paredes finas, elementos elásticos) e processos que permitem a soldadura, o corte, a perfuração, a pulverização, a modificação da superfície, a gravação e o processamento fino com feixes de alta densidade de energia.
Estes métodos de processamento incluem a tecnologia de processamento por laser, a tecnologia de processamento por feixe de electrões, a tecnologia de processamento por feixe de iões e plasma, a tecnologia de processamento elétrico, etc., sendo aqui apenas feita uma breve introdução.
O processamento a laser envolve um gerador de laser que incide uma luz laser de alta densidade energética na superfície de uma peça de trabalho. A energia luminosa absorvida transforma-se instantaneamente em energia térmica, que, com base na sua densidade, permite efetuar perfurações, cortes de precisão e a produção de micro marcas anti-contrafação.
Com o rápido desenvolvimento do equipamento e da tecnologia de processamento de laser, surgiram lasers de alta potência de mais de 100 kW e lasers de estado sólido de feixe elevado de nível quilowatt, equipados com fibra ótica para trabalho em várias estações e a longa distância.
Devido à elevada potência e ao nível de automatização do equipamento de processamento a laser, o controlo CNC e a ligação multi-coordenada são amplamente adoptados, equipados com sistemas auxiliares como a monitorização da potência do laser, a focagem automática e o ecrã de televisão industrial. Atualmente, o diâmetro mínimo do furo obtido com a perfuração a laser é de 0,002 mm, a velocidade de corte a laser de materiais finos pode atingir 15 m/min e o intervalo de corte situa-se apenas entre 0,1 e 1 mm.
As aplicações da tecnologia de reforço de superfícies por laser, refusão de superfícies, ligas e processamento amorfo estão cada vez mais generalizadas e o microprocessamento por laser em eletrónica, biologia e engenharia médica tornou-se uma tecnologia de processamento especial insubstituível.
O processamento por feixe de electrões envolve a emissão contínua de electrões negativos do cátodo para o ânodo no vácuo. Os electrões aceleram e concentram-se num feixe de electrões muito fino e de elevada densidade energética durante a transição do cátodo para o ânodo. Quando os electrões de alta velocidade atingem a superfície da peça de trabalho, a sua energia cinética transforma-se em energia térmica, fazendo com que o material derreta e vaporize, sendo depois removido do vácuo.
O controlo da força e da direção de deflexão do feixe de electrões, combinado com o controlo numérico da deslocação da bancada de trabalho nas direcções x e y (utilizando o controlo CNC e a ligação multi-coordenada), permite obter perfuração, corte por conformação, gravação, exposição fotolitográfica e outros processos.
A tecnologia de processamento por feixe de electrões está a amadurecer a nível internacional e é amplamente utilizada para a soldadura combinada de grandes estruturas de componentes principais de suporte de carga, como foguetões de lançamento e naves espaciais, bem como para o fabrico de peças estruturais importantes, como vigas de aeronaves, estruturas, componentes de trens de aterragem, rotores integrais de motores, carcaças, veios de potência e recipientes sob pressão de dispositivos de energia nuclear.
O fabrico de circuitos integrados também adopta amplamente a exposição fotolitográfica por feixe de electrões, que tem um comprimento de onda muito mais curto do que a luz visível, alcançando uma resolução de padrão de linha de 0,25μm.
O processamento por feixe de iões envolve a aceleração e a focalização de iões produzidos por uma fonte de iões no vácuo para atingir a superfície de uma peça de trabalho. Em comparação com o processamento por feixe de electrões, uma vez que os iões têm uma carga positiva e a sua massa é milhões de vezes superior à dos electrões, podem ganhar maior energia cinética após a aceleração.
Para processar a peça de trabalho, baseiam-se na energia de impacto mecânico microscópico, em vez de converterem a energia cinética em energia térmica. O processamento por feixe de iões pode ser utilizado para gravação de superfícies, limpeza ultra-limpa e corte a nível atómico/molecular.
A maquinação por micro-descargas eléctricas envolve a remoção de metal num fluido de trabalho isolante através de uma alta temperatura localizada causada por uma descarga de faísca de impulso entre um elétrodo de ferramenta e uma peça de trabalho. O processo não envolve forças de corte macroscópicas; o controlo preciso da energia de descarga de impulso único combinado com uma micro-alimentação precisa pode remover materiais metálicos extremamente finos.
Pode processar micro-eixos, furos, ranhuras estreitas, superfícies planas e curvas. A modelação EDM topo de gama e o corte de fio podem proporcionar uma precisão de processamento ao nível do micrómetro, capaz de processar um microeixo de 3um e um orifício de 5μm.
O processamento microelectrolítico envolve a decomposição da água em iões de hidrogénio e iões de hidroxilo num fluido de trabalho condutor. Os átomos de metal na superfície da peça de trabalho, que serve de ânodo, transformam-se em catiões metálicos e dissolvem-se no eletrólito, sendo gradualmente electrolisados. Estes reagem então com os iões hidroxilo no eletrólito para formar precipitados de hidróxido de metal, enquanto o cátodo da ferramenta não se desgasta.
Também não existem forças de corte macroscópicas entre a ferramenta e a peça de trabalho durante o processo de processamento. Ao controlar com precisão a densidade da corrente e a localização da eletrólise, é possível obter um processamento eletrolítico de precisão ao nível nanométrico e a superfície não sofrerá tensões de processamento.
O processamento microelectrolítico é frequentemente utilizado para polimento de espelhos, desbaste de precisão e situações que requerem um processamento sem stress. As aplicações do processamento eletrolítico são vastas, estendendo-se desde lâminas e impulsores integrais a carcaças, componentes de anéis de disco e processamento de pequenos orifícios profundos.
Os espelhos reflectores de metal de alta precisão podem ser processados utilizando o processamento eletrolítico. Atualmente, a capacidade máxima de corrente das máquinas de processamento eletrolítico atingiu os 50.000A, tendo sido implementados o controlo CNC e o controlo adaptativo multiparâmetro.
O processamento composto refere-se a tecnologias de processamento que utilizam várias formas diferentes de energia e métodos, combinando as suas vantagens, por exemplo, moagem electrolítica, processamento eletrolítico ultrassónico, moagem electrolítica ultra-sónica, descarga eléctrica ultra-sónica, corte ultrassónico, etc.
O processamento composto é mais eficaz e tem uma gama de aplicações mais alargada do que os métodos de processamento simples.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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