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ZERODUR® es una vitrocerámica de baja expansión utilizada para componentes en los que la estabilidad dimensional y la precisión son críticas. Se encuentra en sistemas ópticos, equipos de semiconductores, metrología, instrumentos científicos y otras aplicaciones de precisión.
Sin embargo, mecanizar ZERODUR® no consiste simplemente en colocar el material en una máquina CNC y cortarlo a medida.
Según nuestra experiencia, la parte difícil es controlar lo que ocurre en los bordes, dentro de los agujeros, bajo la superficie mecanizada y durante el rectificado final.
Las pequeñas esquirlas, las microfisuras, el daño subsuperficial o los cambios dimensionales durante el acabado pueden afectar al componente final incluso cuando el mecanizado CNC básico parece exitoso.
Por este motivo, planificamos el proceso de mecanizado en función de los requisitos del plano final, en lugar de tratar el ZERODUR® como un material CNC estándar.
El ZERODUR® tiene una estructura vitrocerámica. Durante el mecanizado, la eliminación de material puede implicar fractura frágil en lugar de la deformación plástica controlada que se observa en muchos metales.
Esto genera varios desafíos:
El riesgo es especialmente importante cuando un componente contiene agujeros pequeños, ranuras estrechas, paredes delgadas, cavidades profundas o superficies de referencia de precisión.
Por eso la estrategia de mecanizado importa tanto como el propio equipo CNC.
A veces se trata al ZERODUR® simplemente como un tipo de vidrio debido a su estructura vitrocerámica. Sin embargo, su comportamiento frente al mecanizado es diferente tanto del vidrio convencional como de muchas cerámicas técnicas.
Las cerámicas técnicas como el SiC, el Si₃N₄ y la alúmina pueden requerir un rectificado considerable debido a su elevada dureza.
El ZERODUR®, en cambio, presenta un desafío diferente. El material puede ser más fácil de eliminar que algunas cerámicas avanzadas, pero controlar el daño frágil y mantener la condición superficial final se vuelve crítico.
Por lo tanto, no trasladamos sin más un proceso de mecanizado de cerámica directamente al ZERODUR®.
El desconchado de bordes es uno de los problemas más comunes al mecanizar materiales frágiles. Suele producirse alrededor de bordes afilados y bordes de agujeros.
Para componentes no críticos, un desconchado de borde menor puede ser aceptable. Sin embargo, para componentes de precisión, puede afectar al montaje, las superficies de sellado y el rendimiento óptico.
Por eso la calidad de los bordes debe considerarse a lo largo de todo el proceso de mecanizado.
Al desbastar ZERODUR® con una muela de diamante, intentar alcanzar la dimensión final en la primera operación de desbaste puede aumentar el riesgo de desconchado de bordes y daño subsuperficial.
Para componentes de precisión, nuestro proceso suele ser, por tanto:
Rectificado de desbaste → Mecanizado de precisión → Sobreespesor controlado → Rectificado fino → Pulido y otros procesos de acabado
The remaining material is not simply “extra material.” It provides enough allowance for the subsequent rectificado fino and finishing processes to remove the machining-affected layer and achieve the required surface condition.
La cantidad de sobreespesor depende de la geometría del componente, el tamaño de las características, la tolerancia requerida, el acabado superficial y el método de mecanizado. Se determina como parte de la planificación del proceso, en lugar de usar un valor fijo para cada componente.
El mecanizado CNC es una forma eficiente de establecer la geometría principal de un componente de ZERODUR®, incluidos agujeros, ranuras, escalones, superficies curvas y otras características complejas.
Para la mayoría de los componentes, nuestras máquinas de 3 y 4 ejes pueden manejar piezas de hasta aproximadamente 400 mm, según la geometría. Cuando el componente es más grande o estructuralmente más complejo mecanizado de 5 ejes puede ser necesario.
Sin embargo, el mecanizado de cinco ejes no es automáticamente la mejor opción. Implica equipos y procesamiento más complejos, lo que puede aumentar significativamente el coste del mecanizado. Por lo tanto, seleccionamos el método de mecanizado según la geometría y los requisitos reales de la pieza.
El mecanizado CNC tampoco significa que todas las superficies puedan acabarse en una sola operación. Cuando un componente requiere una mayor calidad superficial, el rectificado fino y el pulido se utilizan después del mecanizado para lograr el estado superficial requerido.
En la práctica, un buen componente de ZERODUR® suele ser el resultado de varios procesos que trabajan juntos—cada proceso se utiliza para aquello en lo que es mejor, desde el mecanizado en bruto y el mecanizado de precisión hasta el rectificado fino y el pulido.
Los agujeros pueden resultar especialmente difíciles cuando su diámetro es pequeño o cuando la pared circundante es delgada.
Durante el mecanizado, puede producirse una fractura frágil alrededor de la entrada o la salida del agujero.
Para los agujeros críticos, el proceso puede incluir por tanto:
El proceso real depende del diámetro del agujero, la profundidad, la tolerancia, la geometría circundante y los requisitos superficiales.
Por este motivo, también preferimos revisar el plano 2D junto con el modelo 3D antes de finalizar el proceso de mecanizado.
Un agujero que parece sencillo en un plano puede volverse mucho más difícil cuando se considera su relación con una pared delgada o una cavidad cercana.
No todos los componentes de ZERODUR® requieren mecanizado de cinco ejes.
Sin embargo, el mecanizado de cinco ejes resulta valioso cuando un componente contiene:
El principal beneficio no es simplemente “more axes.”
El verdadero beneficio es un mejor control de la geometría compleja con menos montajes.
Para ver más de cerca cómo utilizamos el mecanizado de cinco ejes para componentes complejos de ZERODUR®, consulte nuestro [vídeo de mecanizado de cinco ejes de ZERODUR® en YouTube].
Cada montaje adicional puede introducir errores de posicionamiento.
Para un componente que contiene varias superficies críticas, reducir el número de montajes puede ayudar a mantener la relación posicional entre esas superficies.
Por lo tanto, seleccionamos el mecanizado de 3, 4 o 5 ejes según la geometría real, en lugar de utilizar el mecanizado de cinco ejes simplemente como un argumento de marketing.
El tratamiento químico se ha estudiado como método para eliminar o revelar capas dañadas en materiales de vidrio y vitrocerámica.
Sin embargo, el grabado químico también elimina material. En el caso de componentes de precisión, una eliminación de material no controlada puede afectar a las tolerancias dimensionales y a la geometría superficial.
Por este motivo, el tratamiento químico no debe considerarse una solución universal para el daño por mecanizado.
Para la producción de precisión, nuestro enfoque principal es controlar el daño durante el mecanizado y utilizar el rectificado o pulido posterior para eliminar la capa afectada cuando sea necesario.
The appropriate process depends on the customer’s dimensional and surface requirements.
Algunos componentes de ZERODUR® requieren más que precisión dimensional. La rugosidad superficial requerida también puede determinar qué proceso de acabado utilizamos.
Para un requisito de rugosidad superficial en torno a Ra 1,6 μm, puede ser suficiente una muela relativamente gruesa. Para requisitos en torno a Ra 2,0 μm o superior, a veces puede considerarse el chorreado de arena. Utilizar una muela más gruesa directamente sobre ZERODUR® puede aumentar el riesgo de desconchado o agrietamiento, por lo que el método de acabado debe seleccionarse con cuidado.
Para requisitos superficiales más finos, utilizamos rectificado fino para llevar la rugosidad superficial y el material restante a un rango controlado, a veces hasta varias decenas de micras o unas pocas micras según el plano. Los requisitos dimensionales y superficiales restantes se pueden lograr entonces mediante pulido.
Sin embargo, el acabado superficial alcanzable también depende en gran medida de la geometría. Superficies planas por lo general pueden procesarse con una calidad superficial muy alta con equipos de precisión. Escalones, superficies curvas y otras características complejas son más difíciles y pueden requerir equipos de pulido especializados o pulido manual.
Algunos componentes de ZERODUR® requieren recubrimientos ópticos o funcionales después del mecanizado y el pulido. En estos casos, los requisitos de recubrimiento deben definirse claramente en el plano, incluyendo qué superficies deben recubrirse, la reflectividad requerida y el tipo de recubrimiento, como recubrimiento AR u otros recubrimientos funcionales.
Según nuestra experiencia, el rendimiento del recubrimiento cerca del borde de una superficie recubierta puede verse afectado por el proceso de recubrimiento, creando una zona inactiva donde puede no alcanzarse la reflectividad requerida.
Por esta razón, cuando la zona del borde es crítica, podemos aplicar el recubrimiento antes del chaflán. El chaflán se mecaniza después del recubrimiento, eliminando la zona del borde afectada por el proceso de recubrimiento y dejando el rendimiento de recubrimiento requerido en la superficie funcional final.
Por lo tanto, los requisitos de recubrimiento deben confirmarse antes de que comience el mecanizado. Esto nos permite considerar el recubrimiento, el chaflán, la exclusión de bordes y las dimensiones finales en conjunto al planificar la secuencia de mecanizado.
En Jundro, ofrecemos mecanizado de precisión de componentes de ZERODUR® a partir de planos y modelos 3D de los clientes.
| Capacidad | ZERODUR |
|---|---|
| Tamaño máximo | 500 × 500 mm |
| Planitud | 1/20 λ (Ø300 mm) |
| Concentricidad | 0,005 mm |
| Cilindricidad | 0,001 mm |
| Paralelismo | 0,001 mm |
| Espesor de pared mínimo | 0,2 mm |
| Diámetro de agujero mínimo | 0,1 mm |
| Ancho de ranura mínimo | 0,3 mm |
| Rosca interna mínima | M2.0 |
| Pulido | Ra 0,005 μm |
| Chorreado con arena / Rugosidad | Ra 3 μm |
Un componente de precisión típico puede seguir un proceso como:
Revisión del plano y del modelo 3D
↓
Inspección del material
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Rectificado en desbaste
↓
Mecanizado de precisión
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Sobrematerial controlado
↓
Rectificado fino
↓
Pulido / Acabado superficial
↓
Limpieza
↓
Inspección dimensional y superficial
↓
Inspección final y embalaje
La secuencia exacta se ajusta según el componente.
There is no single “standard Zerodur machining process” that is suitable for every geometry.
Esto es especialmente importante para componentes con múltiples características de precisión.
Si está desarrollando un componente de ZERODUR® y tiene dudas sobre la secuencia de mecanizado, los requisitos de bordes, los agujeros, las paredes finas, el sobrematerial de rectificado o el acabado superficial, envíenos su plano 2D y modelo 3D.
Nuestros ingenieros pueden revisar la geometría e identificar posibles riesgos de mecanizado antes de la producción.
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