Микрообработка - технологии, инструменти, приложения

• Използваните инструменти и методи са предназначени да се справят с размери и допуски, които просто не могат да бъдат реализирани чрез конвенционална механична обработка
  
  
• Намира приложение в индустрии като автомобилостроенето, авиокосмическия сектор, производството на медицински устройства и електронни компоненти
  
  
• Микрообработката не е ограничена до определен тип материали – често се работи с полимери, метали, сплави и стъкло

В света на прецизното производство микрообработката се откроява като революционна техника, променяща подхода към изработката на детайли с микроскопични размери. Използваните инструменти и методи са предназначени да се справят с размери и допуски, които просто не могат да бъдат реализирани чрез конвенционална механична обработка.

Същност

Казано просто, микрообработката е мощна съвременна технология за изработката на малки, сложни компоненти с несравнима прецизност. Технологията се прилага в микрометровия диапазон и използва авангардни машини с ЦПУ с оглед постигането на изключителна точност и повторяемост. Често намира приложение в индустрии като автомобилостроенето, авиокосмическия сектор, производството на медицински устройства и електронни компоненти, където стремежът към прецизност и миниатюризация е все по-силно изразен.

В своята същност микрообработката е производствена технология, включваща употребата на механично задвижвани микроинструменти с геометрично дефинирани режещи ръбове. Тези микроинструменти се използват в субтрактивното производство на устройства или характеристики, чиито размери са в микрометровия обхват.
Това, което отличава микрообработката от традиционната механична обработка, е мащабът на работа. Докато при традиционната механична обработка инструментите работят с размери в милиметровия или сантиметровия обхват, то при микрообработката се работи в микрометровия обхват. Микрообработката не е ограничена до определен тип материали. Често се работи с полимери, метали, сплави и стъкло.

Инструменти

Изборът на подходящия микроинструмент е от ключово значение за микрообработката. Не е задължително например микроинструмент, с който успешно се пробиват отвори в пластмасова печатна платка, да може да пробива дълбоки глухи отвори в титанови сплави. Доброто разбиране на изискванията и изборът на правилния инструмент за всяко приложение ще спестят време, пари и нерви.

Установено е, че колкото по-малки са стружките, толкова по-високо е необходимото натоварване. Следователно микроинструментите трябва да бъдат проектирани за по-високи натоварвания с екстремни геометрични ограничения. Когато дълбочината на срез е по-малка от средната големина на частиците на един детайл, всяка частица с различна ориентация генерира различно натоварване върху режещия ръб и това в крайна сметка води до умора на материала на инструмента.

На пазара се предлагат микроинструменти с диаметър от едва 25 мm. Сред разпространените материали за изработката им са бързорезна стомана (HSS), металокерамика, твърди сплави, кубичен борен нитрид (CBN), поликристален диамант (PCD) и монокристален диамант (SCD). HSS не се използва за микрообработката на метал, тъй като не притежава необходимата твърдост и якост, за да издържи на пластичната деформация. SCD инструменти се предлагат за микроструговане, но не и за микропробиване и микрофрезоване. Твърдосплавните и металокерамичните материали, чиито свойства са между тези на HSS и диаманта, са най-подходящи за инструменти за микрорязане. Те се синтероват от различни абразивни гранули в кобалтово или никелово свързващо вещество с малка добавка от молибден или хром.

Високото съдържание на свързващо вещество повишава якостта и устойчивостта на напукване на инструмента, но редуцира общата му коравина. Наличието на ултрафини абразивни гранули в по-малко количество свързващо вещество е оптималното решение, тъй като инструмент, изработен от такъв материал, ще може да поддържа висока коравина и същевременно подобрена устойчивост на напукване при вибрации, прекъснати срезове или циклично отклонение, дължащо се на износване на шпиндела.

Техники

Светът на микрообработката е необятен и разнообразен, включващ набор от техники, всяка от които има своите уникални предимства. При микрофрезоването се използва въртящ се режещ инструмент, който отнема малки количества материал от детайла. Тази техника е перфектна за създаване на сложни форми и характеристики в различни материали. Често се използва за производство с изключително висока прецизност на микроматрици, микрофлуидни устройства или компоненти за медицински и електронни устройства.

Микроструговането е аналогично на традиционното струговане, но се извършва в по-малък мащаб. То включва въртене на детайла и линейно движение на режещия инструмент, което го прави идеален процес за изработка на кръгли или цилиндрични части. Този метод позволява постигане на високо ниво на детайлност на компоненти като миниатюрни контактни щифтове или микрооси.

Микропробиването е предназначено за изработка на прецизни, миниатюрни отвори. Този метод играе съществена роля в няколко индустриални сектора, включително електронната индустрия и производството на медицински устройства. При тази техника се използват специализирани микросвредла, които могат да създават отвори с диаметър от едва няколко микрометра.

При микрошлифоването се използва малък шлифоващ инструмент, отнемащ материал с висока скорост. Обикновено процесът се прилага за твърди и ронливи материали, чиято механична обработка чрез други техники може да не е подходяща. С помощта на този метод може да се създават характеристики в керамика или стъкло.

Всяка от тези техники предлага уникален набор от ползи, превръщайки микрообработката в мощен инструмент в сферата на прецизното производство.

Приложения

Прецизността и възможността за работа с разнообразие от материали, които предлага микрообработката, я правят незаменима технология за редица индустриални сектори. Тя е от критично значение в електронното производство за изработката на сложни микрокомпоненти, като интегрални схеми, сензори и конектори. Микрообработката дава възможност за създаване на детайлни характеристики от съществено значение за миниатюрни електронни устройства, допринасяйки за разрастването на тенденцията към миниатюризация, наблюдавана в електронната индустрия.

В производството на медицински продукти микрообработката се използва за създаването на сложни и високопрецизни импланти, като стентове и ортопедични вложки, както и на хирургични инструменти. Тези приложения обикновено изискват използването на биосъвместими материали, като прецизността на микрообработката гарантира безопасността и ефективността на тези продукти.

Авиокосмическата индустрия разчита на микрообработката за производството на малки, високопрецизни компоненти, като горивни дюзи, механизми за управление и компоненти на авионни системи. Точността и прецизността на микрообработката са жизненоважни за осигуряване на надеждността и необходимите експлоатационни параметри на авиокосмическите компоненти.

Микрообработката допринася за разработката на миниатюрни компоненти, използвани в съвременните превозни средства, като сензори за системи за безопасност, части за електрически превозни средства и сложни детайли за системи за впръскване на гориво. Тези компоненти често изискват висока прецизност, за да спомогнат за увеличаване на ефективността и работните параметри на превозните средства.
В оптиката микрообработката се използва за производството на малки лещи, огледала и компоненти за оптични устройства. Възможността за създаване на гладък повърхностен финиш и прецизни геометрии е ключова за работните характеристики на оптичните продукти.

В областта на телекомуникациите микрообработката се използва за производството на компоненти за комуникационни устройства, като оптични конектори и микроантени. Тези приложения изискват прецизност и постоянство, които микрообработката предоставя.
Микрообработката играе централна роля в прототипирането и разработката на нови продукти в различни сектори, включително нанотехнологиите и разработката на нови материали. Възможността за работа с широка гама от материали и създаване на сложни геометрии прави микрообработката безценна за научноизследователската и развойната дейност.

В часовникарската индустрия, особено в сектора на луксозните и прецизните часовници, микрообработката се прилага за създаването на малки, сложни компоненти, като зъбни колела, отвори и други механизми. Високото ниво на детайлност и прецизност, необходими в производството на часовникови компоненти, превръща микрообработката в идеалната технология.

Микрообработката е основополагаща и за производството на микроелектромеханични (MEMS) системи – сензори, изпълнителни механизми и устройства с микроразмери. Тези компоненти често се интегрират в потребителска електроника, медицински устройства и автомобилни системи.

Предимства и ограничения

Микрообработката е високоспециализиран и прецизен производствен метод. Той предлага набор от съществени преимущества в различни индустриални сектори. Като всяка технология обаче, микрообработката поставя и няколко предизвикателства.

Автоматизираният процес на микрообработка позволява бързо, високоточно производство с намалена необходимост от ръчен труд и значително увеличена ефективност. Техниката гарантира невероятно прецизни резултати, често с допуски от порядъка на микрометър. Благодарение на автоматизирания характер на микрообработката тя осигурява последователни, повторяеми резултати в рамките на множество производствени цикли. Това елиминира вариациите, свързвани с ръчния труд, което води до по-висококачествена и равномерна по параметри продукция. В допълнение, микрообработката е универсална и може да се прилага върху разнообразие от материали за създаване на сложни геометрии, чиято изработка в противен случай би било предизвикателство.

Един от основните недостатъци на микрообработката е значителният размер на първоначалната инвестиция. Тези системи обикновено са по-скъпи от традиционното оборудване за механична обработка, което налага внимателно обмисляне на бюджета и очакваната възвръщаемост на инвестицията.
Програмирането на системи за микрообработка и работата с тях може да изискват специални умения и познания. Това може да затрудни операторите, които едва навлизат в технологията, което превръща обучението и опита в необходимост за реализиране на ефективни процеси без да се допускат грешки.

Микрообработката е идеално решение за сложни, високопрецизни компоненти. Когато става дума за по-големи, по-прости детайли обаче, традиционните методи за механична обработка може да се окажат по-рентабилният подход.

Макар микрообработката да е отлична за производството на повтарящи се прецизни части, бързото адаптиране на технологията към промени в дизайна може да бъде трудно. Всякакви модификации на програмата или установката могат да удължат и оскъпят производствения процес.