Le défi et la promesse des micro-outils

Jun 28, 2023

Il est difficile de fabriquer un outil de coupe d'un diamètre d'un millimètre ou moins. C'est aussi un défi d'utiliser un tel outil. Mais lorsque les deux côtés de l'équation le font correctement, les résultats sont étonnants : de minuscules caractéristiques qui ne peuvent être pleinement appréciées sans un microscope. Et les applications se multiplient.

Uwe Heinrich, nouveau responsable du développement commercial chez Mastercut Tool Corp., Safety Harbor, Floride, a observé que "les micro-outils jouent un rôle très important dans toutes les industries". Outre des exemples évidents tels que les cartes de circuits imprimés et les dispositifs et implants médicaux et dentaires, Heinrich a souligné l'optique, non pas tant pour couper le verre, mais pour fabriquer les minuscules moules nécessaires à la production de pièces.

Oliver Rapp, directeur R&D du groupe Ceratizit, basé à Balzheim, en Allemagne, a déclaré que les clients de Ceratizit utilisent des micro-outils principalement dans les secteurs médical, de la construction mécanique et de la joaillerie. Sherry DePerno, présidente et chef de la direction d'Advanced Tool Inc., basée à Marcy, dans l'État de New York, a déclaré que les injecteurs de carburant et les fixations de sécurité pour l'automobile et l'aérospatiale constituaient une part importante de leur marché des micro-outils.

Brent Broderick, directeur principal des comptes stratégiques et spécialiste national des produits pour les outils ronds massifs chez ARCH Cutting Tools, Bloomfield Hills, Michigan, est d'accord. Il a ajouté que les fixations en Inconel et en acier inoxydable dans l'aérospatiale sont une autre utilisation importante. Broderick a également déclaré que les fraises en bout sont le type d'outil qui connaît la croissance la plus rapide, car le micro-perçage a "presque maximisé". De plus, "de plus en plus d'entreprises commencent à utiliser des fraises en bout comme outil de forage". Il a expliqué que pour des caractéristiques comme un petit trou avec un contre-alésage, les progrès de la technologie des outils et des machines-outils permettent de plonger et d'interpoler un trou, combiné avec le contre-alésage, à l'aide d'une fraise en bout spécialisée. Heinrich a ajouté que le fraisage peut également produire un trou plus précis que le forage. Le filetage est, bien sûr, une autre opération clé pour ces outils.

Cette enquête rapide met en évidence un défi crucial pour l'outilleur : comment optimiser au mieux la géométrie et le matériau de l'outil pour chaque application unique, du titane et du chrome-molybdène dans les implants médicaux aux Inconels dans les buses aérospatiales.

Comme l'a expliqué Heinrich, "une clé dans l'usinage est toujours de comprendre les caractéristiques d'usinage d'un certain matériau. Par exemple, l'aluminium est assez doux, donc cela devrait être assez facile. Mais les caractéristiques d'usinage signifient que vous avez généralement des problèmes comme le bord rapporté, où le copeau atterrirait en fait sur une partie de la flûte et au fil du temps, éliminerait la netteté du tranchant. " Cela altère l'état de surface de la pièce et conduit rapidement à la casse de l'outil.

Heinrich a opposé cela au titane, avec son faible module d'élasticité. "Vous avez beaucoup de vibrations et généralement trois fois plus de chaleur car la chaleur n'est pas évacuée dans la puce. Vous avez donc besoin d'un micro-outil extrêmement résistant, avec une géométrie qui réduit les vibrations et un revêtement qui peut protéger contre la chaleur excessive."

En bref, Heinrich voit quatre paramètres importants dans la création d'un micro-outil de haute qualité. Tout d'abord, il a besoin d'une conception géométrique qui s'adapte aux caractéristiques d'usinage de la pièce. Deuxièmement, la nuance de carbure la plus appropriée doit être identifiée. Troisièmement, meulez l'outil avec la meilleure surface possible. Et enfin, "compléter avec un revêtement adapté". Pour un implant dentaire en zircone, le meilleur revêtement consiste à "faire pousser un cristal de carbone (c'est-à-dire un diamant) sur le substrat en carbure avec CVD", a-t-il ajouté. Une application de coupe de métal peut avoir un revêtement PVD complètement différent.

Bien que tous les grands acteurs de ce domaine aient des produits standards, la personnalisation devient monnaie courante. Broderick a donné l'exemple de la nécessité de couper un élément avec une profondeur de 0,020" (0,5 mm). "Nous concevons un outil avec une longueur de coupe de 25 ou 30 millièmes, par rapport à un outil standard avec, disons, une longueur de coupe de deux millimètres." C'est parce que pour un diamètre donné, un outil avec une longueur de coupe plus longue serait plus faible, toutes choses étant égales par ailleurs. Et les micro-outils sont intrinsèquement "doux et cassants", a déclaré Broderick. à l'application, le plus souvent, vous pouvez largement surpasser un produit standard standard."

De Perno a accepté. "Le moyen le plus rapide et le plus simple d'économiser de l'argent et d'augmenter les performances consiste à modifier et à optimiser la géométrie, le substrat et le revêtement en fonction de l'usure de l'outil de coupe pendant l'utilisation. Une petite modification de la géométrie peut avoir un impact majeur sur les performances." C'est pourquoi Advanced Tool utilise une "inspection en 21 points de l'usure et de la dégradation des arêtes pour l'amélioration de la géométrie de l'outil de coupe. Cela nous indique exactement comment un client utilise la fraise en bout, quelle quantité de fraise il utilise, ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas".

Rob DePerno, COO d'Advanced Tool et directeur de la fabrication et de l'ingénierie, a expliqué. Si, sous un fort grossissement, ils voient que l'utilisateur "explose le coin à l'entrée, nous pouvons y mettre un rayon de coin, ou réduire l'angle de coupe ou l'angle d'hélice. Il y a 21 étapes dans l'analyse, et bien d'autres choses qui peuvent être modifiées sur une fraise en bout. Il s'agit simplement de mettre en place la bonne formule." Cela pourrait également signifier recommander d'autres changements au processus. "Si l'outil n'a pas été détruit, nous pouvons voir le faux-rond et l'usure. Et s'il y en a assez, nous pouvons mesurer si le faux-rond se trouve dans l'outil lui-même ou dans le porte-outil. … Si je vois une usure inégale et que l'outil semble concentrique, je leur dis de travailler sur leurs porte-outils ou leur broche avant de faire quoi que ce soit d'autre."

Cela dit, bien que les DePernos aient déclaré que leur analyse d'usure apporte des améliorations prévisibles sur la base de mesures spécifiques et de leurs années d'expérience, ils proposent souvent au client jusqu'à quatre nouvelles configurations à tester à l'étape suivante. Pourquoi? Parce qu'il est difficile d'être sûr de ce qui fonctionnera le mieux quand il y a tant de facteurs en jeu. Et à mesure que les outils deviennent plus petits, il devient de plus en plus problématique de leur appliquer des caractéristiques géométriques particulières et de mesurer leur efficacité.

Les efforts visant à atténuer les vibrations ou à améliorer les performances ont conduit les fabricants d'outils à introduire des caractéristiques géométriques ésotériques telles que des hélices variables, une indexation inégale et un relief excentrique dans des outils de coupe de taille standard. Mais dans quelle mesure ces fonctionnalités peuvent et doivent être appliquées aux micro-outils est discutable. Broderick a déclaré que la division KEO Micro Tool d'ARCH fabrique des fraises en bout jusqu'à 0,005 "(0,1 mm) de diamètre avec une géométrie standard, et ils "étudient certains aspects des géométries hautes performances sur celles-ci. Au fur et à mesure que nous progressons, nous allons commencer à utiliser de la haute technologie, comme l'hélice variable et l'indice variable."

Rob DePerno a exprimé son scepticisme. Alors qu'Advanced Tool fabrique régulièrement des fraises en bout de plan à 0,015" (0,381 mm) avec une hélice et un indexage variables, il ne reçoit pas beaucoup de demandes pour analyser l'usure de ces outils. "Et", a-t-il réfléchi, "si vous fabriquez un outil de 15 mille [c'est-à-dire 0,015"] avec une longueur de coupe de 35 mille, de combien pouvez-vous faire varier l'hélice le long de ce chemin ?" Pourtant, a rapporté Sherry DePerno, les clients commandent des outils dotés de telles fonctionnalités. "Évidemment, ils fonctionnent, car les gens les achètent. Mais on se demande parfois si une géométrie standard aurait aussi bien fonctionné. Elle n'a pas vraiment été testée."

Quant aux plus petits outils, il devient physiquement difficile, voire impossible, d'ajouter certaines de ces fonctionnalités, comme l'explique Ylli Hysenlika, directrice de la production automatisée de Mastercut Tool Corp. Par exemple, regardez l'effort pour créer un angle de coupe aigu pour couper l'aluminium. "Plus vous allez petit, plus ces angles vont être élevés en raison de la nature du processus de cannelure. Mais alors que vous vous approchez de la plage de 50 µm, il devient très difficile d'appliquer de nombreuses fonctionnalités sur l'outil. Les caractéristiques les plus courantes pour ces petits diamètres sont une cannelure avec le grand râteau et une face d'extrémité avec juste l'entaille et peut-être un relief d'extrémité. Vous avez beaucoup moins d'options lorsque vous entrez dans les très petits micro-outils."

Le plus grand facteur permettant la création des plus petits outils d'aujourd'hui a peut-être été l'introduction de la meuleuse d'outils Nano de Rollomatic. Hysenlika attribue à la technologie une amélioration par dix de la finition de surface. "Ils sont entièrement hydrostatiques et disposent d'une tête de travail flottante", a-t-il expliqué. "Cela vous permet d'utiliser un système de repos stable à bloc en V parfait, avec un faux-rond inférieur à 1 µm dans la plupart des cas."

Aussi bonnes que soient ces machines, Heinrich s'est empressé d'ajouter que vous ne pouvez pas simplement acheter une Nano, "la brancher, et tout d'un coup devenir le champion du monde du micro-outillage". Le meulage est une combinaison de la compréhension des grains de carbure et de leur relation avec les capacités de l'outil, ainsi que de la meilleure façon de meuler chaque grain de taille. Selon Hysenlika, "vous devez comprendre les géométries des outils, les revêtements et comment habiller et préparer la meule".

Don Babinsky, dans son rôle d'applications techniques chez Mastercut Tool Corp., a déclaré que les considérations relatives au liquide de refroidissement et à la filtration du liquide de refroidissement jouent également un rôle. "Nous avons vu des améliorations spectaculaires dans les finitions de meulage en améliorant notre liquide de refroidissement." Heinrich a ajouté que l'amélioration de la finition de surface réduit les forces de coupe sur l'outil, améliore les performances et contribue également à une meilleure adhérence du revêtement.

Le liquide de refroidissement figure également dans l'utilisation finale de ces outils, avec des micro-outils aussi petits que 0,8 mm de diamètre comportant souvent des canaux de liquide de refroidissement internes. Rapp a déclaré que les rectifieuses s'orientent désormais mieux vers ces trous de refroidissement incroyablement petits à l'aide de capteurs optiques. Et bien qu'il soit caché de la meuleuse, les fabricants d'ébauches en carbure (dont Ceratizit) ont augmenté la distribution de liquide de refroidissement en incorporant une plus grande chambre dans la tige de l'outil (généralement 3 mm de diamètre), à ​​partir de laquelle les minuscules canaux émergent dans le diamètre de coupe, a-t-il ajouté.

Heinrich a conclu que, qu'il s'agisse d'équipement de meulage, de contrôle qualité, de revêtement ou de tout ce qui touche au processus, les fabricants de micro-outils doivent investir massivement et rester au fait de chaque détail pour rester compétitifs. "Une fois que vous serez derrière la courbe, il sera soit très difficile de revenir, soit vous serez littéralement éliminé. Les personnes qui veulent réussir dans cet espace doivent avoir de la discipline et un engagement pour un avenir à long terme. Parce que vous devez être actif et engagé dans tous les aspects pour réussir ", a-t-il déclaré.

Babinsky de Mastercut a déclaré que "l'erreur la plus courante commise avec des outils de petit diamètre, même relativement grands jusqu'à 1/8" [3,175 mm] de diamètre, est le simple manque de vitesse de broche suffisante." Si vous ne coupez pas avec un métrage de surface satisfaisant par minute, "vous allez créer un problème avec le bord accumulé et faire glisser le matériau de la pièce. Les problèmes de la plupart des gens disparaîtront de façon spectaculaire s'ils peuvent doubler ou tripler leur régime."

Les chiffres deviennent dramatiques lorsque l'on considère les diamètres des micro-outils. "A titre d'exemple, une fraise en bout peut mieux répondre à 200 sfm dans un matériau donné", a expliqué Babinsky, "et ce métrage de surface est tout aussi important pour un outil de 0,005" (0,127 mm) de diamètre que pour une fraise en bout d'un quart de pouce dans ce même matériau. Mais la répartition des tr/min requis dépasse l'imagination : 200 sfm calcule à 3 056 tr/min pour une fraise en bout d'un quart de pouce, alors qu'une fraise en bout de 0,005" calcule à un énorme 152 800 tr/min. Cela illustre la valeur des machines spécialisées et/ou des options de broche spécialisées qui peuvent accorder 100 000 tr/min ou plus pour entraîner correctement un micro-outil.

La deuxième mise en garde la plus importante, a déclaré Babinsky, est "vous devez vérifier le TIR et indiquer l'outillage à partir de la tige, plutôt que du tranchant. Vous ne voulez pas toucher un tranchant en carbure avec un pied à coulisse ou une pointe en zirconium si vous pouvez l'éviter, et c'est particulièrement vrai avec un micro-outil". Un préréglage optique serait le mieux, a-t-il dit.

Il va peut-être de soi que le porte-outil doit être le plus rigide possible avec des micro-outils, avec un minimum absolu de voile et de balourd. Selon Babinsky, « les porte-outils rétractables thermiques pourraient offrir l'une des meilleures approches. De plus, l'industrie voit maintenant la disponibilité de mandrins hydrauliques avec un faux-rond de 3 µm et de mandrins à pince à 1 µm au niveau du nez avant. Pour la perspective, un globule rouge mesure environ 10 µm ».

Broderick d'ARCH a déclaré que la lubrification est vitale avec les micro-outils et que la lubrification par quantité minimale (MQL), qui est une combinaison d'air et de liquide de refroidissement, est préférée. Le liquide de refroidissement d'inondation est une autre option. Mais le liquide de refroidissement à haute pression serait désastreux, a-t-il expliqué. "Si vous avez une fraise en bout de cinq ou dix mille et que vous obtenez du liquide de refroidissement à haute pression dessus, vous allez la casser." Mais de même, si vous n'avez pas assez de liquide de refroidissement ou de MQL, "il ne faut pas grand-chose pour casser un micro-outil en recoupant les copeaux".

Broderick a ajouté que le liquide de refroidissement doit être bien filtré pour éviter le colmatage des canaux de liquide de refroidissement. Rapp de Ceratizit a suggéré que « le niveau de filtrage doit être égal ou inférieur à 30 µm. Si nécessaire, adaptez vos valeurs de coupe à la configuration d'usinage pour obtenir une bonne évacuation des copeaux. S'il y a des trous débouchants, réduisez votre vitesse d'avance de 50 % avant de quitter le composant pour augmenter la stabilité du processus.

Broderick a applaudi les progrès de la CAO/FAO qui simulent non seulement un outil mais aussi un parcours d'outil. "Et vous pouvez calculer la charge de copeaux. Et si vous connaissez la géométrie de la goujure, vous pouvez vous assurer que l'outil peut prendre la profondeur de coupe nécessaire." Babinsky a suggéré qu'un tel logiciel pourrait également être utilisé pour permettre des techniques de fraisage à haut rendement (HEM), mais a souligné que "HEM met l'accent sur des régimes considérablement accrus et des sauts radiaux encore plus légers, qui sont déjà un défi avec des diamètres aussi petits".

Broderick a prédit que "les avancées technologiques dans les machines-outils, les porte-outils, les substrats, les revêtements et les petites pièces usinées" contribueront toutes à la demande croissante de micro-outils. Rapp a déclaré que nous verrons "probablement que la profondeur de coupe augmentera et que les diamètres de coupe diminueront, ce qui rendra les choses beaucoup plus difficiles". Mais il a également déclaré qu'il existe "une technologie potentiellement nouvelle" qui pourrait encore améliorer la préparation de pointe. Il n'a pas voulu révéler les détails, mais a déclaré que son application contribuerait à "un processus de coupe plus stable" et à une durée de vie prolongée de l'outil. Babinsky pense que nous verrons "des revêtements nano-composites PVD plus raffinés, ciblant non pas des régimes plus rapides, mais plutôt des objectifs de longévité de l'outil".

Sherry DePerno d'Advanced Tool envisage "des géométries de plus en plus complexes passant à une échelle plus petite. Faire preuve de créativité dans la résolution de problèmes est le nom du jeu. Cela inclut des formes et des géométries complexes qui résoudront tous les défis auxquels nos clients pourraient être confrontés."

Le long de cette ligne, Babinsky a prédit que le "succès spectaculaire de l'usinage à cinq axes et de l'utilisation de fraises à barillet conique et à segments de cercle" finira par être transposé dans le micro-outillage. "On ne peut qu'être impressionné par l'augmentation des taux d'enlèvement de métal avec les fraises tonneau", a-t-il déclaré. "Je pense que la fraise en bout à bout hémisphérique standard sera éventuellement sous assistance respiratoire. Je vois l'introduction de fraises segmentaires de diamètre beaucoup plus petit."

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