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Dec 17, 2023

La sfida e la promessa dei microstrumenti

It’s tough to make a cutting tool only a millimeter, or smaller, in diameter.

È difficile realizzare un utensile da taglio con un diametro di solo un millimetro, o inferiore. È anche una sfida utilizzare uno strumento del genere. Ma quando entrambi i lati dell'equazione lo fanno bene, i risultati sono sorprendenti: piccole caratteristiche che non possono essere pienamente apprezzate senza un microscopio. E le applicazioni crescono.

Uwe Heinrich, nuovo responsabile dello sviluppo aziendale presso Mastercut Tool Corp., Safety Harbor, Florida, ha osservato che "i microutensili svolgono un ruolo molto importante in tutti i settori". Oltre ad esempi ovvi come i circuiti stampati, i dispositivi e gli impianti medici e dentistici, Heinrich ha indicato l'ottica, non tanto per tagliare il vetro, ma per realizzare i minuscoli stampi necessari per produrre parti.

Oliver Rapp, responsabile ricerca e sviluppo del gruppo Ceratizit, con sede a Balzheim, in Germania, afferma che i clienti Ceratizit utilizzano microutensili principalmente nei settori medico, della costruzione di macchine e della gioielleria. Sherry DePerno, presidente e CEO di Advanced Tool Inc., con sede a Marcy, New York, ha affermato che gli ugelli per carburante e gli elementi di fissaggio di sicurezza per il settore automobilistico e aerospaziale rappresentano una parte importante del loro mercato dei microutensili.

Brent Broderick, senior manager dei conti strategici e specialista nazionale di prodotti per utensili tondi integrali presso ARCH Cutting Tools, Bloomfield Hills, Michigan, è d'accordo. Ha aggiunto che gli elementi di fissaggio in Inconel e acciaio inossidabile nel settore aerospaziale rappresentano un altro uso importante. Broderick ha anche affermato che le frese a candela sono il tipo di utensile in più rapida crescita, poiché la microforatura è stata "quasi massimizzata". Inoltre "sempre più aziende stanno iniziando a utilizzare le frese come strumento di perforazione". Ha spiegato che per caratteristiche come un piccolo foro con lamatura, i progressi nella tecnologia degli utensili e nelle macchine utensili rendono possibile l'immersione e l'interpolazione di un foro, combinato con la lamatura, utilizzando una fresa specializzata. Heinrich ha aggiunto che la fresatura può anche produrre un foro più preciso rispetto alla perforazione. Il threading è, ovviamente, un'altra operazione chiave per questi strumenti.

Questo rapido sondaggio evidenzia una sfida fondamentale per il produttore di utensili: come ottimizzare al meglio la geometria e il materiale dell'utensile per ogni applicazione unica, dal titanio e cromo molibdeno negli impianti medici agli Inconel negli ugelli aerospaziali.

Come ha spiegato Heinrich, "un aspetto fondamentale nella lavorazione meccanica è sempre comprendere le caratteristiche di lavorazione di un determinato materiale. Ad esempio, l'alluminio è abbastanza morbido, quindi dovrebbe essere abbastanza facile. Ma le caratteristiche di lavorazione implicano che in genere si hanno problemi come i depositi bordo, dove la scheggiatura effettivamente atterrerebbe su una parte della scanalatura e col tempo perderebbe l'affilatura del tagliente." Ciò compromette la finitura superficiale del pezzo e porta rapidamente alla rottura dell'utensile.

Heinrich contrappone questo al titanio, con il suo basso modulo di elasticità. "Si verificano molte vibrazioni e in genere una quantità di calore tre volte superiore perché il calore non viene evacuato nel truciolo. Quindi è necessario un microutensile estremamente resistente, con una geometria che riduca le vibrazioni e un rivestimento in grado di proteggere contro il caldo eccessivo."

In breve, Heinrich vede quattro parametri significativi nella creazione di un microutensile di alta qualità. Innanzitutto, è necessario un design geometrico che soddisfi le caratteristiche di lavorazione del pezzo. In secondo luogo, occorre identificare la qualità di metallo duro più adatta. In terzo luogo, rettificare l'utensile con la migliore superficie possibile. E infine, "completa il tutto con un rivestimento adatto". Per un impianto dentale realizzato con zirconia, il rivestimento migliore è quello di "far crescere un cristallo di carbonio (cioè diamante) sul substrato di carburo con CVD", ha aggiunto. Un'applicazione di taglio dei metalli potrebbe avere un rivestimento PVD completamente diverso.

Sebbene tutti i principali attori in questo campo abbiano prodotti standard, la personalizzazione sta diventando comune. Broderick ha offerto l'esempio della necessità di tagliare un elemento con una profondità di 0,020" (0,5 mm). "Progetteremmo un utensile con una lunghezza di taglio di 25 o 30 millesimi, rispetto a un utensile standard con, diciamo, una lunghezza di due millimetri "Questo perché per un dato diametro, un utensile con una lunghezza di taglio maggiore sarebbe più debole, a parità di condizioni. E i microutensili sono intrinsecamente "delicati e fragili", ha detto Broderick. "Se riesci a rendere lo strumento specifico per l'applicazione, il più delle volte è possibile superare di gran lunga le prestazioni di un prodotto standard disponibile in commercio."