Mecanizado de piezas pequeñas para la industria relojera

El mecanismo promedio de un reloj mecánico —digamos, de un Rolex suizo automático con fecha— contiene alrededor de 135 partes individuales. Mientras algunas de esas partes, como las placas principales, son relativamente grandes (por lo menos en términos de relojería), la mayoría de ellas son más bien pequeñas y requieren a menudo de ampliación para verlas claramente, explica Steve Cotton, propietario de Micro Precision Parts Manufacturing Ltd. (MPPM), Qualicum Beach, B.C. “Las partes pequeñas, de 0,5 mm, pueden ser demasiado pequeñas para sostenerlas con sus manos. Usted tiene que ensamblarlas con finas pinzas y una lupa de 10 aumentos”.

Él sabe. Cotton es un relojero de profesión. Después de completar su práctica de aprendizaje en Nueva Zelanda, viajó a Neuchâtel, Suiza, donde completó el Programa de Entrenamiento y Educación para Relojeros de Suiza, el cual, dice él, es el curso más respetado y de más alto nivel en el mundo.

Durante los siguientes 15 años, Cotton ejerció su profesión como relojero en dos continentes: Nueva Zelanda y Canadá. Trabajó como reparador de relojes independiente en Edmonton, Alberta, y estableció su propio almacén de relojes en Nueva Zelanda; contrató con varias joyerías y almacenes de relojes en Alberta, y construyó el completo Centro de Servicio Rolex en Diamori Fine Jewelers, en Edmonton. Cotton también continuó su entrenamiento durante este tiempo, tomando cursos en Rolex Genova, Rolex Australia y Rolex Toronto.

Un cambio no planeado
Sin embargo, en abril de 2002 la vida de Cotton tomó un giro inesperado y casi desastroso, cuando su carro fue destruido mientras manejaba hacia el trabajo en Edmonton. “Sufrí algunos daños menores en el cerebro —explica—. Tuve alguna pérdida de memoria y perdí mis habilidades motrices finas”. Cuando la mayoría de su trabajo se realiza bajo una lupa de 10 a 20 aumentos, perder su motricidad fina es un evento que cambia la vida. “Tuve que alejarme de mi relojería, lo que implicó perder algunos trabajos”, dice.

Después del accidente, Cotton aceptó una posición como gerente de ventas para una compañía de desarrollo de software en Vancouver Island. Aunque exitoso en el trabajo —llevar la compañía a un nivel internacional, y presentar sus productos a oficiales de gobierno en diferentes países—, esta actividad realmente no acoplaba en él.

Sin embargo, lo que sí le acopló fue vivir en Vancouver Island. “Vinimos por el fin de semana y nos quedamos en la isla desde entonces —dice—. Se siente como si estuviera en las costas de Nueva Zelanda, pero aún sigo en Canadá”.

La isla también probó ser hogar de una sustancial población de relojes con necesidad de restauración y reparación, algunos requiriendo partes obsoletas. Esa fue la oportunidad perfecta para que Cotton retornara a sus raíces en relojería. Si él fabricaba las partes obsoletas por sí mismo, razonaba, podría venderlas con una ganancia y obtener el negocio de la reparación. En 2004 fundó Micro Precision Parts Manufacturing para conectarse con el mercado de reparación y restauración de relojes de la isla.
Hoy, MPPM manufactura partes y repara relojes de pulsera típicos de alta calidad, relojes suizos de última tecnología y relojes de pie o de pared típicos. También se ha convertido en una compañía de “ir a” para partes micromecanizadas de muchas otras industrias, incluida una de las compañías de robótica líderes en Canadá, y compañías médicas en Estados Unidos y Canadá.

Transferencia de habilidades
“El conjunto de habilidades en relojería es una muy buena pareja para el micromecanizado —apunta Cotton—. Si estamos trabajando por fuera de un parámetro de 1 a 2 pulgadas, es una parte grande para nosotros —dice—. Normalmente, las partes son tan pequeñas que 50 de ellas pueden ubicarse en un penique. Pero hacer partes pequeñas no es simplemente lidiar con dimensiones más pequeñas. Todos los elementos del sistema de mecanizado tienen que trabajar juntos”.

La colección de máquinas-herramienta de MPPM incluye actualmente tres máquinas de Haas Automation —dos fresadoras de oficina OM-2A y un torno de oficina OL-1— así como una fresadora y torno de banco Sherline, que sirvió cuando Cotton se introdujo al CNC. El hijo de Cotton, Matt, forma la parte larga del trabajo de diseño y generación de patrones de herramienta mediante el software Mastercam.

Mientras MPPM maneja algunos pedidos de producción, la mayoría de trabajos del taller es operación de un solo dígito de partes personalizadas, y reemplazos para ítems obsoletos. “La producción en masa para nosotros es de diez unidades al tiempo, pero contratos más grandes nos comienzan a llegar —dice Cotton—. Justo ahora estamos alistando una máquina para correr 300 unidades; esa es una buena corrida de producción para nosotros”.

Además de partes para relojes, el taller produce engranajes y cajas de engranajes miniatura para la industria robótica, mecanismos de engranaje para lentes de cámaras y una gran variedad de otros componentes pequeños y precisos.

Si no lo puedes comprar, hazlo
“Comenzamos dando servicio para antiguos relojes de pie o pared y relojes de pulso típicos —cuenta Cotton—. Para la mitad de ellos, usted ya no puede conseguir partes, de modo que investigué el mecanizado CNC para hacer algunas de estas obsoletas partes”. La fresadora y torno de banco CNC satisfizo las necesidades de Cotton por más o menos un año, pero aunque era automático hasta cierto punto, dice él, aún requería mucha mano de obra.

Buscando reducir el tiempo de cambio de la herramienta y la mano de obra, Cotton contactó a Haas Factory Outlet en Richmond, B.C., para adquirir una máquina CNC con un cambiador de herramientas automático. Llegó a una fresadora de oficina Haas OM-2A, con recorridos de 12 por 10 por 12 pulgadas, husillo de 30.000 rpm y cambiador automático de herramientas de 20 bolsillos. Para cortar eficientemente con herramientas pequeñas —algunas tan pequeñas como 0.016 pulgadas de diámetro— Cotton también adquirió un husillo neumático NSK de 200.000 rpm para montar en el husillo estándar de la fresadora.

Con el fin de aumentar aún más la consistencia, instaló una sonda láser Renishaw para ajuste de la herramienta en la fresadora de oficina. “Ajusta cada herramienta al mismo estándar”, explica. Cotton usa la sonda de la herramienta para ajustar distancias y así minimizar desechos, desgaste de la herramienta y asegurar que las herramientas de reemplazo corten idénticamente. Cuando se rectifica una parte en cerámica, dice, “ponemos 20 herramientas en el carrusel y le decimos a la máquina que opere durante 1 hora y luego cambie la herramienta. La nueva herramienta ha sido verificada con láser para que sea exactamente del tamaño correcto”.

Diversificación
Cotton estuvo satisfecho inmediatamente con la máquina Haas. “Una vez alistamos todas las herramientas en el cambiador de herramientas, un engranaje que me tomaba cerca de 45 minutos en nuestra máquina de banco salía de la nueva fresadora cada 8 minutos —dice—. Pero yo no había visualizado el enorme alcance de estas máquinas. El primer año estuvimos haciendo probablemente 80 % de trabajos para relojes y 10 % o 20 % de diferentes partes mecanizadas. El segundo año fuimos al 80 % de mecanizado y nuestro lado de relojería fue al 10 % o 20 %, un enorme cambio en un año.

“Encontré que había un nicho real para las micropartes —continúa—. Una vez la gente encontró que nosotros podíamos sostener y mecanizar ese material tan pequeño, tuvimos todo, desde engranajes de precisión para pilotos automáticos en barcos, hasta pequeños cuerpos para cámaras, pasando por partes ópticas y médicas y cerámicas para clips de aneurisma”.

El éxito de la primera fresadora de oficina llevó a Cotton rápidamente a comprar una segunda máquina, un torno de oficina Haas OL-1 para trabajos de torneado. El torno de oficina tiene un husillo con pinza 5C que gira a 6.000 rpm, un eje C completo y recorridos (X-Z) de 8 por 12 pulgadas. La fresadora de oficina cabe fácilmente a través de una puerta de 36 pulgadas, lo que es una buena cosa, ya que las tres máquinas están estrechamente instaladas en el sótano de la casa de Cotton en Qualicum Beach.

“El torno es un ajuste perfecto para las fresadoras —explica Cotton—. Lo hemos alistado con herramental vivo axial y radial. Tener una máquina que puede tornear partes y fresar características secundarias en un solo alistamiento realmente completa nuestro taller”.

MPPM mecaniza partes de una gran variedad de materiales, incluidos los metales estándar ferrosos y no ferrosos, así como titanio y otras aleaciones exóticas, plásticos y cerámicas.

“Hemos cortado titanio de grado médico y una gran variedad de cerámicas, alúmina, boro-silicio, nitruro de boro cúbico y nitruro de silicio extremadamente duro”, dice Cotton.
“Los cerámicos, ideales para aplicaciones médicas, son difíciles de mecanizar y costosos de manufacturar —dice—. Una parte que podemos producir en titanio en 4 días toma 7 o 10 días en cerámica para lograr la misma precisión. El titanio y otros materiales son mecanizados con herramientas de carburo, pero las cerámicas requieren herramientas de fresado impregnadas en diamante. Tratamos con varias herramientas de corte —algunos PCD, CBN y circonio cúbico—, y ninguna podía tocar la cerámica. Simplemente se reventaban”, dice.

Tiempo para el sector médico
La incursión de Cotton en el mecanizado de cerámicas vino por cortesía de Concept Solutions Inc. (CSI), una compañía de desarrollo de tecnología con base en Vancouver, especializada en dispositivos mecánicos. “Estábamos desarrollando un implante quirúrgico altamente avanzado —un clip de aneurisma— que requería cerámicas”, explica el director técnico de CSI, James Klassen.

Klassen escogió la cerámica para el clip de aneurisma por varias razones. Como el titanio, es biocompatible y no magnético, de modo que resulta fácilmente aceptado por el cuerpo, y no se afecta por las imágenes de resonancia magnética (MRI). A diferencia del titanio, en cambio, la cerámica, casi invisible en una imagen MRI, le permite al cirujano ver el área sujetada inmediatamente después de la cirugía y periódicamente por el resto de la vida del paciente. Esto es un gran beneficio para el cirujano y el paciente, porque un pequeño porcentaje de aneurismas no se sujetan completamente durante la cirugía e incluso cuando lo están, algunos aneurismas volverán a crecer meses o años después”.

Los clips de aneurismas cerámicos de CSI podían hacer avanzar métodos quirúrgicos por un estimado de 30 años, según los expertos de la industria, pero afrontaban serios retos de mecanizado en la etapa de prototipado.

“El proyecto había sido declinado por todos los talleres que trabajaran con cerámicos que habíamos ubicado, y finalmente decidimos comprar nuestra máquina CNC y hacer nosotros el mecanizado”, dice Klassen.

Klassen llegó a MPPM “por accidente”, mientras buscaba equipo y herramental en línea. “Estaba buscando en internet herramientas de diamante, y el taller de Steve apareció, de modo que decidí darle una llamada —dice—. Él nos dijo que no sabía si podría hacerlo, pero tenía la voluntad de intentarlo”.

Entenderlo
“Hice algo de investigación y sabía cuán duro es [el nitruro de silicio] —dice Cotton—. Conseguí algo de ágata, que está apenas por debajo de la dureza del nitruro de silicio, y mecanicé eso, de modo que tuve una idea en qué estaba”.

Por su parte, Klassen explica: “El nitruro de silicio es casi tan duro como el diamante. No hay forma de mecanizarlo con herramientas de corte ‘normales’, pero puede rectificarse usando herramientas de diamante. Las pequeñas características en el clip de aneurisma lo hacían aún más retador, porque teníamos que usar herramientas muy pequeñas, lo cual requirió un husillo de alta velocidad para lograr la velocidad de superficie necesaria.

“Nos sentamos con Steve a explicar el proyecto y preparamos una prueba con una de sus fresadoras de oficina Haas para ver si una herramienta de diamante de 1 mm podía retirar material de un rodamiento de bolas de nitruro de silicio”, continúa.

La prueba fue un éxito, de modo que con el proceso de mecanizado probado, Cotton se puso a trabajar en el primer juego de prototipos.

Las partes de media pulgada de largo fueron mecanizadas de blancos sólidos de nitruro de silicio. Ellas ofrecían complejos contornos en 3D con tres superficies de contacto, dos de las cuales estaban especificadas con tolerancia cero. “Tenían que ser perfectas”, dice Cotton. Las tolerancias remanentes eran de ±0.0004 pulgadas.

Usaron herramientas impregnadas de diamante, incluidos escariadores personalizados tan pequeños como 0.016 pulgadas de diámetro, con granos tan finos como 800 (~25 micras) para los pases de acabado. “Con una broca o un escariador tan pequeño, realmente se necesita estar sobre las 200.000 rpm”, dice. Las herramientas de diámetro pequeño requieren altas rpm para producir suficiente velocidad de superficie.

Cotton mecanizó las partes cerámicas en la fresadora de oficina de la compañía con el husillo suplementario neumático NSK. “Usamos un M19 para orientar el husillo principal y mantenerlo en posición, y luego pusimos la unidad NSK —explica Cotton—. Llevamos el husillo a su límite de 200.000 rpm, y usamos una tasa de avance de probablemente 15 mm por minuto para el desbaste, y 10 mm por minuto para el acabado, con un paso de 0,02 mm”.

Antes de mecanizar los contornos Cotton rectificó el material de cerámica a una superficie de tolerancia cero en dos lados. Esas superficies le permitieron sujetar la parte en una prensa y establecer puntos de datos. Las inquietudes por la precisión llevaron al cliente a especificar que la parte fuera volteada en la prensa para mecanizar cada lado en lugar de usar un cuarto eje, lo cual era “tenebroso”, dice Cotton. “Ellos querían que documentáramos la vuelta de la parte. Algunas veces tomaba 2 horas marcar”. Ya que los cambios grandes de temperatura alterarían las dimensiones del alistamiento, MPPM tiene una atmósfera controlada de temperatura, y las máquinas son encendidas hasta alcanzar la temperatura de operación antes de mecanizar las partes.

Esa atención a los detalles se pagó en la precisión del producto terminado. “El primer juego de partes enviado a prueba estaba dentro de 10 micras de las especificaciones de dibujo reales —dice Cotton—. Teníamos una tolerancia de 20 micras, de modo que estábamos más bien felices”. La inspección CMM de una corrida de resortes de titanio —una parte crítica de los clips de aneurisma— mostró que el taller sostuvo una tolerancia de 5 micras en cada parte, dice.

“Ahora hemos desarrollado un proceso para mecanizar la cerámica de nitruro de silicio razonablemente eficiente para prototipado —dice Cotton—. Rectificamos la cerámica con mucha precisión, dejando un acabado de mecanizado realmente bonito. Hacer el primer juego de clips de aneurisma nos tomó casi cuatro semanas. Pero experimentando con velocidades, avances, refrigerantes y deflexión de la herramienta, hemos acortado ese tiempo a una semana”.

Cotton añade que asuntos como el desgaste de la herramienta y la deflexión de la misma son problemas mucho mayores cuando se hacen partes de tolerancia estrecha. “Algunas de las partes que hacemos son tan pequeñas que usted escasamente puede verlas —dice—. Se ven como polvo en su banco”.

Lo que MPPM ha aprendido y aplica al negocio de partes para relojes y de dispositivos médicos es la confianza de que pueden manufacturarse efectivamente tamaños pequeños, tolerancias estrechas y materiales difíciles. “Cuando obtenemos una parte con una tolerancia de 2 a 3 milésimas, simplemente nos encanta, porque es muy simple en comparación”, dice Cotton.