Foratura profonda mediante micro elettro-erosione

Figura 1 - Sistema di foratura/fresatura micro-EDM
Figura 1 – Sistema di foratura/fresatura micro-EDM

La crescente domanda di micro componenti meccanici ha promosso lo sviluppo di numerose tecnologie di produzione, come ad esempio le lavorazioni tramite micro eletro-erosione (micro-EDM – Electro Discharge Machining). La micro-EDM è in grado di garantire le più stringenti richieste del mercato sia in termini di capacità di miniaturizzazione che di qualità dei componenti fabbricati. Con questa tecnologia è possibile realizzare diversi tipi di componenti, come ad esempio elementi su scala micrometrica caratterizzati da superfici tridimensionali complesse o micro fori profondi, ovvero ad elevato rapporto di forma (HAR – High Aspect Ratio).

Una delle principali criticità nel campo delle micro lavorazioni, ed in particolare nella realizzazione di micro fori HAR, è rappresentata dalla qualificazione geometrica e dimensionale dei fori stessi. Dal momento che la superficie interna dei fori profondi è pressoché inaccessibile, in alcuni casi è indispensabile mettere a punto tecniche di indagine non distruttive in grado di fornire informazioni sulle caratteristiche dimensionali e superficiali delle pareti del foro, senza tuttavia alterarne le proprietà.

Figura 1 - Dettaglio del sistema di foratura profonda.
Figura 1 – Dettaglio del sistema di foratura profonda.

Il presente articolo descrive uno studio sulla lavorazione attraverso micro-EDM di micro fori HAR (sia passanti e ciechi) con differenti rapporti di forma. La campagna sperimentale è stata eseguita utilizzando una macchina per micro-EDM Sarix SX200 dotata di uno specifico sistema per la foratura profonda con guida elettrodo in ceramica. Lo studio si è concentrato modo sulla valutazione delle prestazioni di processo e sulle caratteristiche dimensionali dei fori in funzione sia del rapporto di forma che dei parametri di processo utilizzati. Questo studio ha confermato le potenzialità della micro-EDM in foratura profonda; in particolare, sono stati ottenuti fori aventi rapporto di forma uguale a 100. Aspetto critico è risultato essere il tempo di foratura, che nelle condizioni peggiori è stato superiore alle due ore, con un significativo livello di usura degli elettrodi. Inoltre, sono state osservate alcune deviazioni dal profilo ideale del foro, come fori conici e a botte. La caratterizzazione dei fori ha visto sia l’impiego di tecniche distruttive che non distruttive.

Figura 2 - Schema del metodo di sezionamento dei provini.
Figura 2 – Schema del metodo di sezionamento dei provini.

1. Introduzione
Uno dei principali trend nel campo delle tecnologie di produzione riguarda la miniaturizzazione di prodotti e componenti. Questo trend ha stimolato lo sviluppo di diverse tecniche di produzione, che sono divenute in grado di soddisfare le sempre più restrittive aspettative del mercato, sia in termini di miniaturizzazione che di massimi rapporti di forma ottenibili (ovvero il rapporto tra la larghezza e l’altezza di una feature). Tuttavia la selezione della tecnologia di produzione più adeguata dipende da diversi aspetti come le caratteristiche del materiale da lavorare, il tipo, la forma e la dimensione dei particolari da realizzare, nonché dal rapporto di forma da ottenere [1]. Considerando tutte le possibili specifiche, non tutte le possibili tecniche di lavorazione sono adeguate per ottenere i differenti tipi di componenti che il mercato richiede. Per esempio, le tecniche fotolitografiche o CVD (Chemical Vapour Deposition) sono spesso idonee per i cosiddetti processi microelettronici e, per contro, non sono idonee per alcune lavorazioni meccaniche come ad esempio la foratura profonda di un elemento metallico [1, 2]. Esistono differenti tecniche per la realizzazione di micro-fori: foratura laser, micro foratura con punte elicoidali, fresatura ad ultrasuoni, fresatura elettrochimica, e micro-EDM. Per esempio, tra tutti questi metodi, la micro-foratura con micro punte elicoidali è ampiamente utilizzata, specialmente per i ridotti tempi di lavorazione e per la buona qualità dei fori ottenibili. Tuttavia, anche questa tecnologia può divenire inadeguata se la profondità dei fori cresce eccessivamente, a causa della difficoltà di rimozione del truciolo. In questi casi, anche l’adduzione del fluido lubrorefrigerante all’interno del foro rappresenta un’operazione estremamente difficile [3]. Inoltre, le tecniche di foratura con punte elicoidali non si prestano alla foratura dei cosiddetti materiali difficili da lavorare. Grazie alla loro flessibilità e versatilità, le tecnologie di lavorazione mediante laser si sono dimostrate in grado di fornire soluzioni competitive nel campo delle microlavorazioni. Le moderne sorgenti laser sono in grado di lavorare con elevata accuratezza e velocità un ampio range di feature nel campo della micro-scala e svariati materiali, tra cui acciai, materiali ceramici, metalli duri, semiconduttori, polimeri, compositi e vetro. La possibilità di lavorare materiali “difficili” insieme alla micro foratura profonda rappresentano un tema di grande interesse nell’ultimo decennio [4]. Infatti, i fori ad elevato rapporto di forma giocano un ruolo importante in diversi settori, come ad esempio aerospaziale, automobilistico, biomedicale, e dei beni di consumo in generale [5, 6]. Anche i settori degli stampi e dell’assemblaggio spesso hanno l’esigenza di realizzare fori profondi e stretti su metalli duri.

Figura 3 - Foro di ingresso (a) e corrispondente ingrandimento (b); esempi di fori irregolari: profilo con forma irregolare (c), profilo frastagliato (d).
Figura 3 – Foro di ingresso (a) e corrispondente ingrandimento (b); esempi di fori irregolari: profilo con forma irregolare (c), profilo frastagliato (d).

La micro-EDM è una delle tecnologie più efficaci per realizzare fori profondi su metallo [6, 8-9], sebbene la sua applicazione in questo ambito sia ancora lontana dalla comune produzione di massa. Questo è dovuto al basso tasso di rimozione di materiale, al controllo della rimozione dei detriti e in generale alla natura instabile di questo processo di asportazione [8, 10]. Anche l’usura dell’utensile rappresenta un problema non trascurabile, specialmente nella realizzazione di feature ad elevato rapporto di forma [11]. Inoltre, la scelta dei parametri di processo (specialmente corrente, tensione e energia) richiedono una particolare cura per garantire una lavorazione efficiente.

Per investigare il processo di micro foratura profonda mediante EDM sono stati condotti numerosi studi che hanno affrontato il problema da diversi punti di vista. In [12, 13] è stato utilizzato il metodo Taguchi per ottimizzare i parametri di processo per l’esecuzione di micro fori. In [9] è stato condotto uno studio comparativo tra WC-Co e AISI 304 ed è stato dimostrato che paradossalmente è più facile realizzare micro fori su WC-Co, che sono risultati caratterizzati da superfici più lisce e prive di bave, rispetto a quelli in acciaio inox. Inoltre, è stato dimostrato che la foratura profonda del WC-Co avviene in condizioni di lavoro più stabili e con un tasso di rimozione del materiale (MRR – Material Removal Rate) più elevato.

Figura 4 - DOC in funzione della corrente e del diametro del foro.
Figura 4 – DOC in funzione della corrente e del diametro del foro.

In [1] il problema dell’adduzione del dielettrico in profondità, che è uno dei principali problemi della micro foratura profonda con tecnologia EDM è stato risolto grazie al movimento planetario dell’elettrodo. Il movimento infatti permette al fluido dielettrico di raggiungere le parti più profonde del foro, agevolando la rimozione dei detriti e riducendo l’usura degli elettrodi. In questi casi non è richiesta l’adduzione del dielettrico dall’interno dell’elettrodo, altrimenti indispensabile per la foratura profonda. In [7] è stato approfondito il problema dell’adduzione interna del dielettrico e alcuni dei problemi menzionati in precedenza sono stati superati utilizzando un elettrodo composito. In questo caso l’elettrodo è composto da una barra metallica incapsulata in un’incamiciatura che funge da dielettrico. Utilizzando questo tipo di elettrodo è possibile realizzare fori profondi e di piccolo diametro evitando le scariche parassite laterali che possono innescarsi tra utensile e pezzo, grazie alla protezione fornita dall’incamiciatura. In [8] viene descritta una soluzione basata sulla vibrazione a bassa frequenza dell’elettrodo durante la foratura. In questo lavoro, la vibrazione di un elettrodo convenzionale è stata sostituita dalla vibrazione del pezzo in lavorazione, per il miglioramento delle performance del processo. Inoltre, è stato dimostrato che le vibrazioni a bassa frequenza sono più efficaci se abbinate a scariche elettriche a bassa energia.

Figura 5 - TR in funzione della corrente e del diametro del foro.
Figura 5 – TR in funzione della corrente e del diametro del foro.

Nella realizzazione di micro fori ad elevato rapporto di forma (ad esempio rapporti di forma compresi tra 50 e 100) uno degli aspetti più critici rimane la caratterizzazione della forma e della superficie interna del foro. In diversi casi questo aspetto è stato studiato analizzando la superficie dei fori dopo aver sezionato il foro in direzione ortogonale o parallela all’asse del foro. In queste circostanze l’analisi viene generalmente condotta mediante tecniche di microscopia ottica o elettronica. Una delle tecnologie più promettenti per questo tipo di indagine è la micro-tomografia computerizzata a raggi x (micro-CT). Questa tecnologia permette di effettuare indagini non distruttive con risoluzione micrometrica nella parte interna di una generica feature senza dover danneggiare la stessa in alcun modo. La base fisica di questa tecnica è l’assorbimento o l’attenuazione della radiazione elettromagnetica da parte di un oggetto. L’attenuazione dipende dalla densità e dai costituenti atomici del materiale sottoposto a scansione; la radiazione trasmessa è confrontata con la radiazione incidente per ricostruire una mappa dei coefficienti di attenuazione in funzione della posizione nell’oggetto. Le radiografie ottenute da differenti angoli vengono utilizzate per la ricostruzione matematica tridimensionale completa dell’oggetto scansionato.

Il presente lavoro riguarda uno studio sulla micro foratura profonda e la caratterizzazione geometrica e morfologica dei fori attraverso le tecniche di microscopia elettronica e micro-CT. E’ stata eseguita una serie di fori, sia ciechi che passanti, con differenti diametri, mediante una macchina per micro lavorazione EDM Sarix SX200 dotata di uno specifico sistema in ceramica per la guida dell’elettrodo. La campagna sperimentale ha visto l’impiego di elettrodi con diametro di 150 e 300 μm. L’obiettivo dello studio è stata la valutazione delle caratteristiche dimensionali dei fori e delle principali performance di foratura in funzione del diametro dei fori e della corrente applicata.

Figura 6 - Diametro effettivo in funzione della profondità del foro: diametro nominale di 300 μm per bassi (a) e alti (b) valori di corrente; diametro nominale di 150 μm per bassi (c) e alti (d) valori di corrente.
Figura 6 – Diametro effettivo in funzione della profondità del foro: diametro nominale di 300 μm per bassi (a) e alti (b) valori di corrente; diametro nominale di 150 μm per bassi (c) e alti (d) valori di corrente.

2 Campagna sperimentale
2.1 Set up sperimentale
La campagna sperimentale è stata eseguita utilizzando un sistema per micro-fresatura EDM Sarix SX 200 con uno specifico dispositivo per la foratura profonda basato su sistema di guida dell’elettrodo in ceramica. Come dielettrico è stato usato kerosene. I fori sono stati eseguiti utilizzando degli elettrodi tubolari in carburo di tungsteno con diametro esterno pari a 150 e 300 μm. La figura 1 mostra il sistema di foratura/fresatura micro-EDM Sarix (a) e un dettaglio del sistema per la foratura profonda (b).

I provini per la campagna sperimentale sono stati ricavati a partire da barrette cilindriche in acciaio con altezza pari a 15 e 30 mm a diametro pari a 1 e 2 mm. La scelta di questa specifica geometria dei provini è dovuta ai limiti in termini di capacità di penetrazione tipici dei sistemi per micro-tomografia a raggi X. La campagna sperimentale ha visto l’esecuzione di fori passanti e ciechi con diametro nominale pari a 150 e 300 μm. I provini piccoli, con diametro 1 mm e altezza 15 mm sono stati utilizzati per i fori da 150 μm; i provini grandi, con diametro 2 mm e altezza 30 mm sono stati utilizzati per i fori da 300 μm. Quindi, in entrambi i casi è stato raggiunto un rapporto di forma pari a 100. Una serie preliminare di esperimenti ha avuto come finalità la stima dell’usura degli elettrodi (compresa tra 200 e 300%) e l’identificazione di una combinazione efficiente di parametri di processo. Una volta identificate queste condizioni, la campagna sperimentale è stata condotta mantenendo costanti tutti i parametri ad eccezione della corrente, che è stata fatta variare su due livelli (alto e basso). I parametri utilizzati sono riportati in tabella 1. Due tipi di fori, uno cieco e l’altro passante, sono stati eseguiti per ciascuno dei diametri considerati e per ciascuna combinazione di parametri di processo; inoltre, sono state eseguite tre ripetizioni per i fori passanti, per un totale di sedici fori. Per i fori ciechi, stimando l’usura degli elettrodi, si è cercato di ottenere dei fori con una profondità pari a 7.5 e 15 mm per i fori di piccolo e grande diametro rispettivamente (ovvero metà della profondità dei rispettivi provini). Considerata l’elevata variabilità nell’usura utensile nella foratura profonda EDM, anche quando vengono utilizzati gli stessi parametri, è estremamente difficile stimare l’effettiva profondità dei fori durante l’operazione di foratura. Per questa ragione, è stato eseguito un unico foro per ciascun valore di corrente, per ottenere alcune informazioni circa le condizioni transitorie di foratura. Il tempo di foratura è stato registrato durante tutti gli esperimenti e per i fori passanti è stata anche calcolata l’usura utensile.

Figura 7 - Diametro effettivo in funzione della profondità per fori ciechi da 150 mm.
Figura 7 – Diametro effettivo in funzione della profondità per fori ciechi da 150 mm.

2.2 Caratterizzazione geometrica
Per valutare le caratteristiche geometriche dei fori sono stati presi in considerazione due indicatori: il diametro effettivo dei fori riferito al diametro nominale dell’elettrodo (DOC – diametrical overcut) e la conicità dei fori (TR – taper rate). Dal momento che il diametro dei fori realizzati tramite micro-EDM non è generalmente costante lungo la profondità del foro stesso, il diametro è stato misurato all’estremità superiore e inferiore di ciascuno foro attraverso un microscopio a scansione elettronica. Il DOC è stato calcolato facendo la differenza tra il diametro superiore del foro (Dtop) e il diametro nominale dell’elettrodo (Dtool), come mostrato nell’equazione 1.

DOC = Dtop – Dtool (1)
Il TR, che è una misura della conicità del foro, è stato calcolato come segue

TR = (Dtop – Dbottom)/h (2)

dove h è la profondità del foro. Dopo aver completato la campagna sperimentale è stata eseguita una caratterizzazione geometrica tridimensionale usando un microscopio a scansione elettronica. In particolare, al fine di studiare il profilo dei fori, tutti i provini sono stati selezionati in diverse sotto-parti, in maniera ortogonale rispetto all’asse del foro e con un passo costante. La procedura è stata eseguita utilizzando un’unità di taglio EDM a filo (diametro filo 0.2 mm). Sia il diametro superiore che quello inferiore di ciascuna sotto-parte sono stati misurati utilizzando una specifica applicazione software del microscopio a scansione elettronica, basata su un profilo circolare che viene sovrapposto all’immagine del foro. In figura 2 viene mostrato lo schema di sezionamento del provino. Inoltre, prima dell’operazione di sezionamento le proprietà e le caratteristiche della superficie dei fori sono state valutate attraverso un sistema per micro tomografia a raggi x (micro-CT). È importante sottolineare che, in questo studio preliminare, solo i provini contenenti fori ciechi sono stati radiati usando la tecnica micro-CT. Questo è dovuto all’elevato tempo richiesto dall’indagine per garantire una risoluzione micrometrica. Per esempio, per analizzare un campione con lunghezza pari a 30 mm, l’analisi è stata ripetuta su diverse sotto parti e i dati risultanti sono stati poi ricombinati durante la procedura di ricostruzione digitale dell’intero componente.

Figura 8 - TWR in funzione della corrente e del diametro del foro.
Figura 8 – TWR in funzione della corrente e del diametro del foro.

2.3 Performance del processo
L’usura dell’elettrodo il tempo di foratura sono stati registrati durante tutti gli esperimenti; in particolare, il tasso di usura dell’utensile (TWR – Tool Wear Ratio) è stato considerato come l’indicatore più significativo delle performance di processo ed è stato calcolato come rapporto tra il materiale rimosso dall’utensile e il materiale rimosso dal pezzo (equazione 3). Il materiale rimosso dall’utensile è stato calcolato come il volume di un elettrodo tubolare avente un’altezza pari all’usura registrata (mediante una verifica di contatto in un punto di riferimento). Il materiale rimosso dal pezzo (volume del foro) è stato calcolato come la somma dei volumi dei tronchi di cono stimati per ciascuna sotto-parte del provino.

TWR = Mrtool/ MRworkpiece (3)

Figura 9 - Output dell’analisi tramite micro- CT: sezione trasversale di un foro da 300 μm (a), sezione trasversale di un foro da 150 μm (b) e sezione assiale di un foro da 300 μm (c)
Figura 9 – Output dell’analisi tramite micro-
CT: sezione trasversale di un foro da 300 μm (a),
sezione trasversale di un foro da 150 μm (b) e
sezione assiale di un foro da 300 μm (c)

3 Analisi dei risultati
Una volta terminata la campagna sperimentale, tutti i provini sono stati analizzati utilizzando l’approccio menzionato in precedenza. La figura 3 mostra alcuni dettagli dei fori lavorati. Le figure 3a e 3b mostrano rispettivamente il foro d’ingresso e il corrispondente ingrandimento. È possibile osservare l’elevata qualità del foro, sia in termini di circolarità che di assenza di eventuali difetti. Le figure 3c e 3d mostrano rispettivamente un foro con una geometria irregolare e un foro caratterizzato da un profilo seghettato. Questi tipi di difetti sono spesso presenti nei fori ad elevato rapporto di forma, dove l’instabilità del processo EDM rappresenta un fattore non trascurabile e non sempre di facile controllo.

3.1 Overcut e conicità
Il valore del DOC è stato valutato per ciascun foro passante. La figura 4 mostra il DOC in funzione della corrente (alta e bassa) per i due differenti diametri presi in esame.

Non è possibile osservare alcun trend significativo. In effetti per il diametro nominale di 300 m il DOC decresce per valori crescenti della corrente; per i diametri nominali di 150 m è possibile osservare l’effetto opposto. Come conseguenza, l’effetto del DOC è più rilevante per i fori con piccolo diametro. Anche il TR è stato stimato per i fori passanti utilizzando l’equazione riportata nel paragrafo precedente. La figura 5 mostra il parametro TR in funzione sia della corrente che del diametro del foro.

A differenza dei fori a basso rapporto di forma (ottenuti utilizzando la micro EDM) il diametro superiore può risultare più piccolo di quello inferiore, dando luogo a un TR negativo. Come considerazione generale, questo effetto può essere dovuto alla lunga permanenza dell’elettrodo nelle parti più profonde della regione lavorata. Per questa ragione, la figura 5 riporta il valore assoluto di TR. A causa dell’elevato rapporto di forma di questi fori, è possibile aspettarsi anche un diametro interno non regolare; per questa ragione, il diametro effettivo dei fori è stato valutato in funzione della loro profondità. I risultati relativi ai fori passanti sono riassunti in figura 6a e 6b (fori con diametro nominale pari a 300 μm realizzati con corrente bassa e alta) e figura 6c e 6d (fori con diametro nominale pari a 150 μm realizzati con corrente bassa e alta). Non è possibile notare effetti significativi legati alla corrente per i fori da 300 μm. La sola differenza che può essere osservata è nella parte finale del foro, dove il basso valore di corrente può aver richiesto un maggior tempo di lavorazione (tasso di rimozione più basso) e quindi portato ad un diametro finale più grande. Per i fori da 150 μm possono essere fatte più o meno le medesime considerazioni. La figura 7 riporta i risultati relativi ai fori ciechi da 150 μm. In questo caso, è possibile notare un comportamento opposto del diametro del foro per valori bassi e alti di corrente.

3.2 Analisi delle performance di processo
La tabella 2 riporta i tempi medi di lavorazione registrati per ciascuna condizione di foratura. È possibile osservare un trend significativo: l’esecuzione dei fori con bassi valori di corrente richiede sempre un maggiore tempo di lavorazione, se confrontato con il tempo registrato per i fori ottenuti con valori alti di corrente. Al contrario, non c’è una relazione monotona tra il tempo di lavorazione e il tipo di foro realizzato (passante o cieco). La figura 8 mostra il valore del TWR in funzione sia della corrente che del diametro del foro. È importante sottolineare che questo parametro è stato valutato esclusivamente per i fori passanti. In questo caso è possibile osservare un trend significativo. Il TWR ha una relazione monotona con il diametro del foro: cresce per valori decrescenti del diametro del foro. Inoltre, vi è una relazione anche con la corrente: il valore di TWR cresce per valori crescenti di corrente.

Figura 10 - Ricostruzione matematica 3D della geometria del foro.
Figura 10 – Ricostruzione matematica 3D
della geometria del foro.

4 Analisi mediante micro-tomografia a raggi X (micro-CT)
L’analisi micro-CT risulta essere un utile metodo di valutazione delle caratteristiche del profilo interno di un foro, specialmente in condizioni transitorie (come ad esempio i fori passanti). In questo caso è stato possibile raggiungere una risoluzione assoluta pari a 4 μm. La figura 9a mostra la sezione trasversale di un foro cieco da 150 μm. In questo caso è possibile notare la conicità che caratterizza le pareti del foro. Sulla base dei risultati precedenti, la conicità dei fori passanti può essere anche inversa se confrontata con quella riportata in figura, per effetto del successivo passaggio e della permanenza dell’elettrodo nella parte finale del pezzo. La figura 9b mostra la sezione trasversale di un foro cieco da 300 μm. Anche in questo caso è possibile notare la conicità inversa del foro. Inoltre, una lunga e sottile appendice non lavorata, simile al risultato di un carotaggio, può essere notata nella parte centrale del foro. In figura 9c sono presentate tre sezioni assiali di un foro da 300 μm. Anche in questo caso è possibile notare l’effetto del carotaggio. La figura 10 mostra una ricostruzione matematica tridimensionale della geometria del foro, ottenuta attraverso un apposito software (foro cieco con diametro nominale pari a 300 μm).

5 Conclusioni
Questo studio ha confermato la possibilità di eseguire micro fori con rapporto di forma pari a 100 attraverso la tecnologia micro-EDM. L’instabilità intrinseca del processo rappresenta uno degli aspetti più critici. In particolare, le scariche parassite laterali possono essere considerate come il principale fattore che influisce sul DOC e sulla conicità del foro. La corrente rappresenta un importante parametro che influenza il tempo di lavorazione e il TWR. L’uso della tecnologia micro-CT per la caratterizzazione geometrica e dimensionale dei micro fori ad elevato rapporto di forma ha dimostrato di essere uno strumento molto promettente.

Ringraziamenti
Gli autori dell’articolo sono Gianluca D’Urso, Giancarlo Maccarini, Cristina MerlaUniversità degli studi di Bergamo. Essi desiderano ringraziare il Prof. Maurizio Santini dell’Università degli Studi di Bergamo per l’esecuzione delle analisi micro tomografiche.

Bibliografia
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Tabelle
Tabella 1. Parametri di processo

Parametri

Valori

Energia (indice)

365

Polarità

Frequenza [kHz]

120

Width [µs]

5

Guadagno

35

Gap

30

Velocità rotazione mandrino (indice)

100

Regulation

03-00

Corrente (indice)

35;70

Tensione (V)

60

Tabella 2: Tempo medio di lavorazione in funzione di corrente, diametro e tipo di foro.

Tipo di foro

Diametro foro [μm]

Corrente (I)

Tempo medio di lavorazione

Passante

300

35

2h 30’

Passante

300

70

1h 05’

Cieco

300

35

Cieco

300

70

Passante

150

35

2h 40’

Passante

150

70

1h 45’

Cieco

150

35

46’

Cieco

150

70

20’

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