CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS CAMPUS DIVINÓPOLIS ENGENHARIA MECATRÔNICA 1º PERÍODO/2010 MICROMECÂNICA E MECÂNICA DE PRECISÃO Trabalho referente à disciplina de CONTEXTO SOCIAL E PROFISSIONAL DA ENGENHARIA MECATRÔNICA realizado pelos alunos Grupo 4: Guilherme Menezes Costa Cássio Miranda Coelho Barbosa Edson Rafael de Oliveira Ribieiro Khayam Casarino Bernardes PROFESSOR: Renato de Sousa Dâmaso DIVINÓPOLIS, 1 DE JUNHO DE 2010
SUMÁRIO 1 RESUMO...2 2 INTRODUÇÃO...3 3 PRODUTOS RESULTANTES DE MICROSISTEMAS...Fehler! Textmarke nicht definiert. 4 PROBLEMAS RELACIONADOS A MICROMECÂNICA...5 5 TENDÊNCIAS PARA O FUTURO DA MICROMECÂNICA...6 6 MICRO-USINAGEM...7 7 MICROCOMPONENTES...8 8 MÁQUINAS-FERRAMENTAS PARA MICRO-USINAGEM...9 9 PROCESSO DE FORMAÇÃO DE CAVACOS E AS FERRAMENTAS DE CORTE...11 10 FLUIDOS DE CORTE...12 11 MEDIÇÃO DE MICRO-USINAGEM...13 12 APLICAÇÕES DE COMPONENTES OBTIDOS POR MICRO-USINAGEM...14 13 MATERIAIS MAIS USADOS NA FABRICAÇÃO DE MICROCOMPONENTES...15 14 ESTRUTURAS OBTIDAS POR MICROUSINAGEM...16 15 CONCLUSÃO...17 16 REFERÊNCIAS...18 2
Resumo Nos últimos anos tem-se observado um crescente aumento nas exigências de qualidade para as peças mecânicas, em paralelo a uma acentuada exigência de redução de energia e de custos para sua fabricação. Com isso, há uma constante pressão para melhoria dos processos de fabricação, em termos de novos processos, novas ferramentas e máquinas. A miniaturização de componentes mecânicos, após a já consagrada redução no campo da eletrônica, vem crescendo verticalmente, principalmente nas áreas aeronáutica, aeroespacial, automobilística, médico-odontológica e de telecomunicações. Muitos componentes aplicados a sistemas mecânicos, fluídicos e aeronáuticos têm sido projetados criando grandes desafios para a área de fabricação. Assim, a cada dia novas áreas encontram mais aplicações para microcomponentes, entre milésimos e décimos de milímetros, os quais desempenham importantes funções, exigido mínimo gasto de energia para sua produção e causando reduzido impacto ao meio ambiente. Nesse contexto, esse trabalho visa proporcionar ao leitor, um melhor entendimento a cerca da Micro Mecânica e Mecânica de Precisão. Palavras-chave: micromecânica; mecânica de precisão; microcomponentes; microusinagem. 3
2. Introdução Imagine um mundo sem computadores pessoais, telefones celulares, fax, filmadoras, fornos micro-ondas, calculadoras e todos os outros produtos eletrônicos. Agora imagine o que está por vir. Os Micro-sistemas serão usados em diversas áreas no dia a dia. Estes sistemas incluem por exemplo, computadores controlados por voz, diários eletrônicos, jornais eletrônicos em painéis touch screen, máquinas de raio-x e de diagnóstico portáteis, micro-implantes médicos, vídeo-chamadas em relógios e acesso a internet sem fio em qualquer lugar. As tecnologias por trás desses e de outros milhões de produtos eletrônicos em diversas indústrias. Entre os anos de 1996 e 2002, apenas, o crescimento foi de US$14 para US$38 bilhões, a uma taxa anual de 18%. Em 2005 previu-se atingir 65 bilhões, com a liderança da indústria automobilística. Elas afetam toda a vida humana com o poder de trazer todos para a era digital. 4
3. Produtos Resultantes de Micro-sistemas Micro sistemas são sistemas miniaturizados e integrados baseados em microeletrônica, radio freqüência, sistemas micro-elétro-mecânicos (MEMS) e tecnologias de armazenamento. Esses novos sistemas e tecnologias, fornecem uma variedade de funções integradas que incluem os ramos da automobilística, telecomunicações, computação, sensoriamento, indústria aeroespacial e médica. Previsões para futuros produtos incluem relógios inteligentes com telefone e vídeo integrados, computadores integrados a roupa, celulares multifuncionais e micro implantes médicos. Muitos dispositivos futuristas estão sendo parcial, ou inteiramente implementados em nosso cotidiano baseado na miniaturização em tecnologia de micro sistemas levando a aparelhos eletrônicos com mais capacidade de memória, maior velocidade com menor consumo de energia, e finalmente, um aprimoramento na compressão de dados e uma rede mais potente. 5
4. Problemas relacionados à micromecânica Recentes descobertas na ciência e engenharia aprimoraram a capacidade de fabricar e controlar estruturas na micro/nano escala e trouxe problemas relativos ao comportamento dos materiais na dada escala para o domínio da engenharia. Estudos de eficácia são a chave para aplicações práticas e a comercialização dos sistemas micro/nano eletromecânico(mems/nems) de hoje. Muitas das atuais aplicações em potencial para os MEMS/NEMS não são, de fato, práticas devido às suas propriedades mecânicas ainda não terem sido estabelecidas por serem ainda desconhecidas. Aspectos mecânicos e estruturais são de importância crítica para a determinação de estabilidade para estruturas tão pequenas. Uma caracterização precisa das propriedades mecânicas na escala micro/nanométrica é necessária para um design apropriado e miniaturização de estruturas. Estudos recentes revelaram que as propriedades dos materiais dependem do tamanho. Entretanto, softwares atuais desenvolvidos para design de dispositivos em escala micro/nanométrica são na maioria, baseados em propriedades dos materiais em escala padrão desconsiderando as mudanças ocorridas quando se altera o tamanho do material. Esse fato limita o futuro desenvolvimento e aplicação de MEMS/NEMS. 6
5. Tendências para o futuro da Micro Mecânica Bens de consumo: TV: analógica para digital Fusão de TV com PC Comunicação interativa(fusão de PC com telefone) Som analógico para digital (CD- ROM, mp3, etc) Fitas cassete para vídeos digitais (DVD) Relógios inteligentes com vídeo e telefone integrados Roupas inteligentes Sensores Residenciais Computadores integrados a roupas Comunicação: De voz para troca de dados Celulares analógicos para digitais Cabo elétrico para fibra ótica Telefone multifuncional e telefone global Automobilística: Sistemas de navegação Piloto automático Controles eletrônicos integrados (air bag, ABS, transmissão automática),sensores anti-colisão Sistemas de Informação e controle de tráfico Computadores: Computadores de mesa para notebooks e posteriormente palmtops Infraestrutura de redes: Servidores com maior capacidade e maior velocidade Alta banda larga e internet sem fio Equipamentos analógicos para digitais Medicina: Equipamentos de Raio-X portáteis Ferramentas de diagnóstico Implantes miniaturizados Sistemas de bombeamento e injeção Microinstrumentos para endoscopia neurocirúrgica 7
6. Micro-usinagem Nos últimos anos tem-se observado um crescente aumento nas exigências de qualidade para as peças mecânicas, em paralelo a uma acentuada exigência de redução de energia e de custos para sua fabricação. A miniaturização de componentes mecânicos, após a já consagrada redução no campo da eletrônica, vem crescendo verticalmente, principalmente nas áreas aeronáutica, aeroespacial, automobilística, médico-odontológico e de telecomunicações. A cada dia novas áreas encontram mais aplicações para microcomponentes, entre milésimos e décimos de milímetros, os quais desempenham importantes funções, exigindo mínimo gasto de energia para sua produção e causando reduzido impacto ao meio ambiente. Uma das mais recentes aplicações para a microusinagem está na fabricação seriada de grande volume de pequenos componentes para a indústria automobilística, por meio de moldes de injeção. Os moldes devem ser fabricados em aço endurecido para possibilitar a produção de milhões de peças em polímeros e/ou metais injetados, com dimensões de alguns milímetros, porém com detalhes da ordem de alguns milésimos de milímetro. Além disso, alguns moldes podem ser texturizados por micro-usinagem resultando em efeitos visuais especiais, ou características superficiais diferentes. Também podem ser aplicadas em lentes de contato e em lentes de Fresnel, ou em outros componentes óptico-eletrônicos. Inovações na área médica também têm criado demanda para componentes de alguns milésimos de milímetros, os quais necessitam fresamento e furação com dimensões da mesma ordem, ou ainda menores. Portanto, nota-se um crescimento cada vez maior das necessidades de se desenvolver processos de fabricação para microcomponentes, no sentido de atender às necessidades mercadológicas e de antecipar demandas futuras. Neste sentido, este texto tem por objetivo apresentar uma breve e modesta introdução ao estado-da-arte neste campo, mostrando os desafios a serem vencidos, em termos principalmente de processo, máquinas e ferramentas para micro-usinagem, assim como mostrar algumas das possibilidades já existentes e sucessos alcançados. Há, no entanto, outros processos, menos comuns de micro-conformação e micro-deposição que se prestam a produzir componentes em tamanho reduzido. 8
7. Microcomponentes A grande motivação para a fabricação de componentes cada vez menores tem sido, no momento: novas aplicações, as quais criam demanda, necessidade de maior desempenho, melhor qualidade, ou ainda menores custos, aliado ao baixo impacto ambiental. Embora o conceito de micro-componente seja, essencialmente subjetivo, entende-se que seu tamanho entre 10 e 100 vezes menor que um de função semelhante em tamanho normal. Desta forma, até o momento, observa-se a adaptação, na maioria dos casos, de processos, ferramentas e máquinas de tamanho convencional, à fabricação de micro-componentes. Sendo assim, os processos de usinagem mais comuns como o fresamento, torneamento e furação são os mesmos utilizados atualmente, porém em máquinas que permitem posicionamento e deslocamentos da ordem de 1 µm, ou inferiores. Evolução demonstrada na figura abaixo. 9
8. Máquinas-Ferramentas para Micro-usinagem A maioria das demonstrações de possibilidades em micro-usinagem tem sido realizadas em máquinas convencionais, com maior precisão dimensional, ou em máquinas especiais de pesquisa. Estas são, em geral, destinadas à fabricação de componentes ópticos com as seguintes diferenciações: Estabilidade térmica: tamanho compacto e isoladas em ambientes controlados termicamente e com controle de pureza de ar; Extra precisão de giro e de guias: Eixo-árvore preciso com guias lineares de princípio hidrostático ou aerostático; Extra precisão de posicionamento rotativo e linear: Motores e encoders especiais tipicamente de 64 Mpulso/rev e 1 nm, linearmente. A configuração dos eixos de centros de usinagem, por exemplo, também tem sido estudada e aquelas em que a ferramenta se movimenta nos eixos X, Y, Z e C parece ser a mais adequada para se atingir a máxima exatidão dimensional e de forma. Guias de cerâmicas (Al O ) tem sido usadas com sistemas aerostáticos para maior rigidez, menor 2 3 atrito e estabilidade térmica. Máquinas de 5 eixos também têm sido desenvolvidas com precisão de posicionamento de até 1 nm. Na atualidade a maioria das aplicações de micro-usinagem demanda um longo tempo de setup da máquina e da operação. A detecção do contato ferramenta-peça é extremamente difícil e o tempo de usinagem é longo devido á baixa capacidade de remoção. Tentativas de adicionar vibração de ultrasom á ferramenta tem sido testadas, com a finalidade de se melhorar a capacidade de remoção, porém somente testadas em laboratórios, sob condições muito controladas. Uma limitação das máquinas-ferramentas para aplicações em micro-usinagem tem sido o limite de rotação do eixo-árvore. Essa pode ser resolvida com a adição de um cabeçote de alta rotação, desde que a precisão e exatidão de posicionamento sejam adequadas. Fresa φ 0.8 mm 10
9. Processo de Formação de Cavacos e as Ferramentas de Corte A remoção de material por meio de cavacos em micro escala incorpora muitas características da usinagem convencional, porém agrava alguns aspectos comumente ignorados na usinagem convencional. Quando a profundidade de usinagem, ou o avanço se aproximam do raio de aresta da ferramenta, ou do tamanho de grão do material, a formação de cavacos pode se distanciar muito do modelo clássico de cisalhamento. Para se ter uma primeira idéia das complicações adicionais, o retorno elástico do material sendo cortado pode afetar a formação de cavacos, a profundidade de corte e a dimensão da peça. A própria energia dissipada por atrito, comumente desprezada, desempenha papel importante na micro-usinagem. Para aplicações de alta precisão dimensional a orientação cristalográfica do material sendo cortado pode afetar significativamente o resultado da operação de usinagem e o desgaste das ferramentas. Para melhor entender esses aspectos a técnica de simulação da formação de cavacos usando elementos finitos (FEM) tem sido empregada. Com FEM a microestrutura do material sendo cortado pode ser modelada usando-se elementos da mesma ordem de grandeza dos grãos. Da mesma forma, algumas aplicações, principalmente nas áreas aeroespacial e óptica, podem ser afetadas pela integridade superficial resultando em falhas prematuras por fadiga, ou distorção da luz. Na área médica o acabamento superficial e a precisão dimensional são de suma importância em micro-canais usados em reatores químicos, o que recai sobre a qualidade das ferramentas empregadas. Dentre as ferramentas comercialmente disponíveis pode-se encontrar brocas de até 50 µm de diâmetro, assim como fresas de topo da mesma ordem, sob pedido especial. A fabricação destas ferramentas, no entanto, exige grande exatidão dimensional e geométrica, uma vez que os erros de batimento e de concentricidade devem ser entre 1 e 4 centésimos do avanço e da profundidade de corte na aplicação. A Figura abaixo mostra um exemplo de uma fresa de topo de 150 µm de diâmetro de carbeto e uma de 800 µm tipo ball nose. 11
Freza de topo de 150 µm de diâmetro fabricada de metal duro Brocas de 750 mm de diâmetro com refrigeração com refrigeração interna detalhe na ponta. 12
10. Fluidos de Corte Um sistema de refrigeração convencional, por inundação, por exemplo, não pode ser adequado à micro-usinagem, uma vez que a pressão do jato pode curvar a broca, ou fresa de topo. Da mesma forma, a interação do fluido com a peça, furos, ou cavidade podem ser problemas após a usinagem. A remoção do excesso de fluido em um furo de pequeno diâmetro é muito difícil, além de deixar resíduos que possam afetar a saúde humana, caso a peça seja uma prótese dentária, por exemplo. A usinagem sem fluido de corte ainda é a melhor alternativa, com alguns cuidados especiais quanto á vida da ferramenta e à precisão dimensional da peça, devido ao aquecimento durante a usinagem. Problemas de aquecimento têm sido relatados na peça, assim como na estrutura das máquinas-ferramentas, ambos casos afetando a exatidão da peça. 13
11. Medição em Micro-usinagem De nada adianta fabricar micro-componentes sem sistemas de medição com capacidade de avaliar os resultados alcançados. Sistemas de medição que possam atuar nas máquinas, avaliando as operações e outros que possam medir após a fabricação são necessários, na mesma escala em que os componentes são fabricados. Dinamômetros com sensibilidade de milinewtons são necessários para avaliação de forças de corte, assim como rugosímetros capazes de avaliar a rugosidade em escalas nanométricas. De forma não menos importante devem ser as avaliações dimensionais executadas por máquinas de medir, porém usando probes com pontas microscópicas e forças de medição muito inferiores àquelas hoje disponíveis. Todos os sistemas de apalpadores que utilizam contato para medição necessitam de uma força para disparar o sistema de medição. Esta técnica não se presta à medição de componentes muito pequenos, pois a força de medição seria, muitas vezes suficiente para mover, ou deformar o componente. Somente sistemas sem contato, usando laser ou forças de campo poderiam ser usados. 14
12. Aplicações de componentes obtidos por micro-usinagem Micro-componentes têm hoje aplicações nas mais diversas áreas, como aeroespacial, aeronáutica, automobilística, médica, odontológica, biomolecular, etc. Em algumas dessas áreas a necessidade de se reduzir peso e espaço ocupado tem crescido substancialmente. Na área médica, a micro-usinagem abre a possibilidade de se produzir estruturas de exame interno no corpo humano com menos intrusividade, como câmeras e mecanismos de movimentação interna do tamanho de uma cápsula, ou comprimido. Nesta e na área odontológica há ainda a possibilidade de produção de próteses de formas e dimensões praticamente inimagináveis até há poucos anos atrás. Para abrir um leque de possibilidades disponíveis, estruturas bastante incomuns foram produzidas em microescala, como as mostradas nas figuras abaixo. 15
13. Estruturas obtidas por micro-usinagem A rugosidade nas operações de micro-usinagem é uma das primeiras condições para o sucesso de qualquer operação e tem sido apontada grande influencia da micro-estrutura do material sendo usinado. Aplicações do micro-fresamento. Condições de corte: v c =75m/min, f = 10 µm/rev a p = 50 µm, a e = 50 µm. 16
14. Materiais mais usados na fabricação de microcomponentes O Silício. O silício é o material usado para criar a maioria dos circuitos integrados usados em eletrônicos na atualidade. O preço baixo e a alta disponibilidade tornam o uso desse material atraente pelas empresas. O silício também tem vantagens significativas geradas através de suas propriedades materiais, na forma de cristal único, o silício é um material quase perfeito de Hookean, o que significa que quando ele é flexionado não há praticamente nenhuma dissipação de energia e ao fazer um movimento repetitivo ele sofre pouca fadiga, podendo ter uma vida útil na faixa de bilhões ou trilhões de ciclos sem quebrar, o que o torna muito confiável. As técnicas básicas para a produção de todos os dispositivos de silício no MEMS são a deposição de camadas de material em determinados padrões a fim de produzir a forma necessária. Polímeros. Os polímeros são amplamente utilizados, pelo fato de proporcionarem uma grande variedade das características do produto, alem de ser mais barato e fácil de manusear que o silício, o que faz desse material viável quando se trata de produtos que não precisam de muita resistência física. Polímeros são especialmente adequados para aplicações microfluídicas, tais como teste de cartuchos descartáveis de sangue. Metais. Metais também podem ser usados para criar elementos de MEMS. Embora os metais não tenham vantagens sobre o silício em termos de propriedades mecânicas, quando usado dentro das suas limitações, os metais podem apresentar graus muito elevados de confiabilidade, alem de serem ferromagnéticos e condutores. Os metais mais utilizados são ouro, níquel, alumínio, cobre, cromo, titânio, tungstênio, platina e prata. 17
15. Conclusão A partir deste trabalho foi possível aprender mais sobre os diversos processos de micro-usinagem e as tecnologias aplicáveis a sistemas micro-mecânicos, assim como, os problemas relacionados ao seu desenvolvimento e aplicações práticas. Vimos como esses processos e tecnologias são importantes para a indústria atual. A micro tecnologia proporciona uma maior portabilidade e praticidade de vários equipamentos utilizados no cotidiano, além de torná-los mais baratos devido aos meios pelos quais são produzidos. 18
16. Referências Introduction to Microsystems Packaging Disponível em: <HTTP://www.digitalengineeringlibrary.com> MEMS-NEMS nanoidentation.pdf Disponível em: < http://wwwgmap.mecanica.ufrgs.br/sitegmap/download/micromec_eng03012_turmau.rar> Artigo sobre Micro-usinagem da USP Disponível em: < http://www.poli.usp.br/d/pmr5222> 19