Más allá del fresado o rectificado

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Cuando usted piensa en los retos técnicos de la exploración espacial no tripulada, hay posibilidad de que considere la dificultad de llevar una nave espacial de forma segura a una ubicación algo precisa en órbita o a otro mundo. La capacidad de los ingenieros para hacer esto sigue siendo una maravilla. Sin embargo, los retos no terminan allí. Esa nave no tripulada también necesita explorar.

Específicamente, debe tomar medidas —generalmente medidas precisas de sustancias miniatura o longitudes de onda discretas de radiación—. El equipo de la nave tiene que ser lo suficientemente sensible para lograr esto, pero al mismo tiempo bastante robusto para funcionar ante exigencias que incluyen variación extrema de la temperatura. Para la Nasa, el Taller de Instrumentos Espaciales, parte del Laboratorio de Propulsión Jet en Pasadena, California, es una de las ubicaciones donde se hacen estos dispositivos de detección.

Un área esencial de la experticia de este taller es el micromecanizado. Unos centros de mecanizado precisos, incluidas dos máquinas Bostomatic equipadas con microscopio, fresan y taladran pequeños componentes de instrumentos para producir características que en general son apenas visibles para una visión no asistida. Otra máquina de fresado CNC, construida a medida para el taller por DAC International, maneja trabajos aún más finos, usando un husillo de 110.000 rpm y una resolución de posicionamiento de 10 micropulgadas. La mayoría de partes que se producen en el taller son bloques microonda con canales fresados para guiar la onda, generalmente con menos de 0.010” de ancho y a menudo casi tan pequeños que llegan a 0.001” de ancho.

Peter Bruneau, uno de los especialistas de mecanizado involucrados en este trabajo, dice que otra área de experticia del taller —un área que él ve crecer en significado— es el mecanizado de materiales exóticos. De hecho, prevé el aumento en importancia de esta área, específicamente en el micromecanizado. El taller expandió recientemente sus capacidades con la adición de un centro de mecanizado de cinco ejes “ultrasónico” Sauer de DMG/Mori Seiki. Gracias a la capacidad de producir componentes precisos relacionados con la electrónica a partir de cerámicos antes no mecanizables, la máquina dará nuevas posibilidades de diseño a los ingenieros de la Nasa.

Alta frecuencia
Los ingenieros de diseño y científicos de la Nasa consultan de forma rutinaria al Taller de Instrumentos Espaciales, confiando en sus integrantes como mecánicos y como consejeros de manufactura. Usualmente, les ayudan sugiriendo mejoras a los diseños de parte para asegurar la manufactura. Algunas veces, cuando hay partes críticas que lo requieren, el taller busca nuevas capacidades. Ese fue el caso con un conjunto de espejos hechos de Vidrio de Ultra Baja Expansión (un producto Corning) para el satélite Orbiting Carbon Observatory 2. Los espejos estaban siendo rectificados antes de una operación de lapeado inclinada, pero el rectificado era lento, costoso y con tendencia a dejar grietas superficiales. En busca de una alternativa, JPL encontró que el mecanizado ultrasónico produciría los espejos de forma más eficiente y confiable.

El proceso es algo parecido al fresado y un poco como el rectificado, pero al final difiere de ambos métodos. La máquina-herramienta de ultrasonido está equipada con un husillo de 42.000 rpm que acomoda un portaherramientas del centro de mecanizado y una herramienta de corte. Durante la remoción de material con ultrasonido, sin embargo, la máquina sujeta en su lugar una herramienta abrasiva. Al oscilar rápidamente la herramienta con una amplitud estrechamente controlada, la máquina burila el material usando impactos microscópicos a una tasa de decenas de miles de golpes por segundo.

Mecanizar de esta forma implica por lo menos un parámetro sujeto a otros procesos, porque la herramienta está “sintonizada” para encontrar una frecuencia de oscilación estable. Esa frecuencia está en algún punto entre 20.000 y 50.000 hertz. Donde el proceso usa parámetros familiares, él dice que los valores de esos parámetros confrontan sus expectativas. Inicialmente, basó sus decisiones sobre la tasa de avance y profundidad de corte en su experiencia con el rectificado, pero encontró que esto hacía el corte demasiado conservador. Por ejemplo, una herramienta fina de grano 200 permite fácilmente mecanizar los espejos de cerámica hasta a 40 ipm, una tasa de avance que incluso una herramienta de movimiento rápido grano 60 no permitiría cuando las partes fueran mecanizadas mediante rectificado.

“Continúo sorprendiéndome por la tasa de remoción de material que podemos lograr en materiales duros”, dice. Además, afirma que se repite constantemente: “Tratemos empujando un poco más”.
Él añade que un reto adicional es cómo sujetar la parte con suficiente precisión, para que el error de alistamiento no comprometa la potencial precisión de la máquina. Este reto en la sujeción del trabajo es mayor con la máquina ultrasónica respecto a la máquina Bostomatic, porque pivotear la pieza de trabajo en cinco ejes puede causar que los errores de ubicación se compongan trigonométricamente. Por esto el taller usa el Sistema de Herramental Fino de Erowa en esta máquina —un sistema que consta de un pallet y un receptor que sujeta el trabajo rígidamente y asegura una ubicación repetible.

Además de estas consideraciones, Bruneau dice que la máquina ultrasónica se comporta prácticamente como cualquier otro centro de mecanizado. Él la programa con el mismo software CAM que el taller usa para sus otras máquinas.

De hecho, justo ahora sirve principalmente como un centro de mecanizado convencional. El sistema de refrigerante a alta presión que el taller compró para limpiar la limadura de las superficies del espejo hace la máquina particularmente efectiva en ese rol. Con una centrífuga de refrigerante que captura esa limadura para limpiar el refrigerante, el taller es capaz de cambiar al mecanizado de metal convencional sin tener que cambiar el refrigerante. Por ahora, esas operaciones convencionales —fresado en cinco ejes y taladrado— dan cuenta de la mayoría del trabajo realizado en la máquina, pero eso cambiará, añade.

Mecanizado duro
Otra área de experticia en el campus de JPL se encuentra en el Laboratorio de Microdispositivos. Ese departamento es, entre otras cosas, una fundidora de chips —produce chips para microprocesadores con requerimientos de desempeño que fuera de la industria no serían posibles de lograr de forma rentable—. Mientras estos chips tienen que operar bien en rangos extremos de temperatura, las estructuras miniatura que los sujetan también deben mantener su precisión a lo largo de los mismos grandes rangos de temperatura. Cada vez más, los diseñadores de chips buscan materiales cerámicos exóticos para lograr esta estabilidad térmica, pero Bruneau dice que tal opción impone limitaciones al diseño. El metal puede mecanizarse hasta lograr formas precisas, pero históricamente, los materiales cerámicos más duros no podían ser mecanizados, de modo que en su lugar han sido construidos a través de un proceso aditivo que es menos preciso. El proceso aditivo, poco apto para construir paredes rectas, por ejemplo, hace imposible el ensamble estrecho de estas estructuras. Así que ¿cuál es la respuesta?

La respuesta es el mecanizado ultrasónico. Bruneau dice que una herramienta abrasiva de tan solo 0.015 o 0.020 pulgadas de diámetro podría usarse para mecanizar características precisas en partes muy pequeñas de cerámica dura. De hecho, ya que la máquina tiene cinco ejes, pueden mecanizarse con precisión múltiples caras de esta forma, para producir diseños de estructuras de chips novedosos que incluso son eficientes en espacio. Pronto, el Taller de Instrumentos Espaciales comenzará su primer proyecto para investigar sobre el mecanizado ultrasónico de uno de los nuevos materiales cerámicos usados para hacer estas estructuras de chips.

Uno de los beneficios de este trabajo será la forma en que cambiarán las conversaciones con los ingenieros de diseño. En el rol de consejero de manufactura, el personal del taller generalmente plantea preguntas negativas, preguntas como “¿en realidad necesita esta características?”, o “¿esa tolerancia es necesaria?”. Ahora esas preguntas se tornarán positivas. Los diseñadores aún son inconscientes de la libertad que el mecanizado ultrasónico les dará, así que Bruneau pronto preguntará: “¿Han considerado este material?”, o “¿sabe que ahora puede producir esta interesante forma?”. Descubrir las posibilidades de esta nueva capacidad del taller expandirá lo que las naves espaciales pueden hacer, y Bruneau está enfocado en la exploración.

© 2011. Modern Machine Shop. Derechos reservados.
© 2011. Metalmecánica Internacional. Derechos reservados sobre la versión en español.

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