Un futuro miniaturizzato?

Chi detta legge è il mercato. Oggi i consumatori chiedono dispositivi sempre più piccoli, ma alto-prestazionali, oltre che con costi contenuti: da qui la continua crescita dei prodotti miniaturizzati e delle tecnologie produttive a essi correlate. Micromeccanica, microelettronica e prodotti su nanoscala, sono gli ambiti in cui si stanno maggiormente sviluppando le tecnologie produttive di mini componenti, e sono anche quelli su cui si sta focalizzando la ricerca, sia come studio di processi che di materiali.

Un mondo in miniatura
Comunemente, miniaturizzare significa ridurre, rimpicciolire: ma di quanto? Di fatto esiste una classificazione che, partendo da «macro», arriva a «nano», includendo le diverse strategie di fabbricazione. Si è in area macro quando, genericamente, il manufatto è visibile a occhio nudo, con dimensioni superiori al millimetro, con possibili applicazioni in ogni settore merceologico. In questo caso si parla di macrofabbricazione, con un’ampia disponibilità di processi produttivi, dalla colata alla lavorazione per asportazione di truciolo. L’area è micro quando le dimensioni sono di poche decine di micron, con applicazione classiche nei circuiti integrati, nei MEMS e nella microelettronica. La microfabbricazione è
stata sviluppata partendo dalle necessità produttive dei vari dispositivi elettronici, in particolare litografia, incisione e rivestimenti, ed è oggi «esportata» anche su altri componenti riconducibili al concetto di microfabbricazione, come le sonde e i sensori. Sebbene la richiesta e l’evoluzione di manufatti su scala micro sia in forte crescita, la tecnologie produttive sono ancora molto nuove e, per molti aspetti, in fase di studio. Fra le due aree, si colloca la meso, cui si riferiscono i processi di mesofabbricazione che si sovrappongono parzialmente ai macro e parzialmente ai micro. Si colloca in quest’area tutta la componentistica estremamente piccola e dedicata a pezzi miniaturizzati, come quelli usati in alcuni ambiti biomedicali (stent, valvole cardiache, etc) in strumenti di misura, apparecchi acustici, ecc. Le lavorazioni sono essenzialmente di tipo chimico o ibrido. L’area nano riguarda tutto ciò che ha dimensione atomica, tipicamente 1÷10Å, come richiesto da molti componenti dei circuiti integrati. La nanofabbricazione è un’area relativamente nuova, per molti versi ancora in esplorazione, ma che sta dimostrando di avere molte potenzialità, come stanno dimostrando i nanotubi di carbonio. Rientra in quest’area la biofabbricazione, interessante per la produzione di farmaci progettati su base molecolare.

Vale l’effetto scala?
Nella quotidianità, miniaturizzato e micro hanno un significato molto simile, tanto da essere comunemente utilizzati uno per l’altro, riferendosi a «qualcosa» di molto piccolo, ma non necessariamente con dimensioni inferiori al millimetro. Partendo quindi da questa accezione largamente diffusa, anche se non rispettosa del rigore scientifico, va evidenziato come il mondo macro e il mondo miniaturizzato siano profondamente diversi: devono essere trattati secondo criteri differenti, partendo dal presupposto che, scendendo verso il piccolo, non basta una semplice riscalatura.

Quando si parla di componenti miniaturizzati, e dei relativi processi produttivi, si sta parlando, in buona misura, di tutto ciò che coinvolge la tecnologia meccanica, dalla fase progettuale, all’assemblaggio e al controllo qualità. Si sta parlando di scelta di materiali, di movimentazione, di controlli dimensionali, oltre che della produzione vera e propria… ovviamente la dimensione del componente richiede scelte differenti, che non possono basarsi sul concetto di down scale. Un controllo dimensionale necessita strumenti atti alla lettura di parametri micrometrici, con risoluzioni adeguate, ma anche tutta la teoria della gestione dell’errore non può semplicemente essere riscalata. E il processo alla base della formazione del truciolo? Anche in questo caso i modelli di riferimento tradizionali non sono più validi, ma occorre valutarne di differenti. Sempre con riferimento all’asportazione di truciolo, i parametri tecnologici di una microlavorazione vedono forze di taglio e velocità piuttosto basse con macchine utensili rigide, in grado di garantire assenza di vibrazioni anche ad alte velocità di rotazione dell’utensile.

Passando alle lavorazioni non convenzionali, il discorso non cambia: considerando microlavorazioni per elettroerosione o laser, non basta fare un down scale dei parametri perché il legame materiale-dimensioni-lavorazione non segue una riscalatura, ma richiede una completa ritaratura del processo secondo modelli differenti, proprio perché cambiano i processi chimico-fisici di riferimento.

Lavorare il «piccolo»
Settore biomedicale, elettronica, meccanica,… indipendentemente al settore, la iniaturizzazione dei componenti obbliga allo studio di processi produttivi idonei, considerando che la miniaturizzazione riguarda sia il prodotto nella sua interezza che porzioni, caratterizzate da micro forme geometriche, anche di notevole complessità, molto spesso a elevato contenuto tecnologico. Qualsiasi sia il processo produttivo, il punto di partenza è sempre il materiale, con le eventuali anisotropie e il comportamento non necessariamente scalabile dal livello macro. Nonostante la miniaturizzazione dei manufatti sia ormai un dato di fatto, i processi di fabbricazione sono ancora in fase evolutiva e fanno riferimento a modelli legati all’esperienza pratica. L’obiettivo nel breve/medio termine è quello di migliorare le performance delle tecnologie esistenti, investigandone di nuove, in modo da poter rispondere con adeguatezza alle crescenti esigenze del mercato. Negli scorsi anni, con sovvenzione UE, sono stati lanciati diversi progetti di ricerca, come il Masmicro, terminato nel 2010, con «lo scopo di sviluppare processi e macchinari per la produzione di massa in grado di tagliare i costi e soddisfare l’aumento della domanda di prodotti miniaturizzati (Cordis, Servizio Comunitario d’informazione in materia di Ricerca e Sviluppo). In particolare, con il progetto Masmicro «sono stati realizzati strumenti, tecnologie e processi che per la prima volta consentono un’efficace produzione di massa di parti miniaturizzate a scala micrometrica; la commercializzazione dei numerosi risultati ottenuti potrebbe migliorare notevolmente l’economia europea, con indubbi vantaggi per i consumatori.»

La questione microfrese
Parlando di fresatura di particolari miniaturizzati, una questione in molti casi spinosa è rappresentata dalle microfrese, utensili piuttosto costosi e che tendono a rompersi, talvolta in maniera imprevedibile. La questione diventa quindi delicata dato che, aldilà del danno economico dovuto al costo dell’utensile stesso, le ripercussioni possono essere anche molto importanti. Per ovviare al problema «rottura», molto spesso gli operatori agiscono sui parametri tecnologici, con un impatto penalizzante sulla produzione: riduzione dei parametri di taglio, esclusione delle lavorazioni non presidiate, in modo da evitare il «girare a vuoto» della macchina, prima causa della rottura dell’utensile, hanno un riflesso estremamente negativo sull’economia di processo. La delicatezza della «questione microfrese» sta nel trovare il giusto compromesso fra la minimizzazione del rischio rottura e l’utilizzo di parametri tecnologici non penalizzanti. Va sottolineato come il mondo micro sia completamente diverso da quello macro e, di conseguenza, non è assolutamente detto che le stesse teorie che permettono di ricavare  parametri tecnologici ottimali per le frese, diano validi risultati nel caso delle microfrese, ma occorre rifarsi a nuove concezioni, appositamente studiate per le microlavorazioni. Le «buone pratiche», oggi alla base di una microfresatura efficiente e produttiva, con un buon contenimento del rischio rottura, suggeriscono di non ridurre la rotazione se prima non si è ridotto l’avanzamento, prestare particolare attenzione all’evacuazione trucioli, porre particolare attenzione alle vibrazioni, eventualmente riducendole con uno staffaggio rigido. Per quanto riguarda gli utensili, sembra anche che microfrese con un numero di taglienti dispari soffrano meno il rischio rottura, in quanto meno soggetti a vibrazioni e con una migliore evacuazione truciolo, oltre a presentare maggiore robustezza.

Microforatura
La creazione di microfori riveste particolare importanza, specie nelle applicazioni di meccatronica. In quest’ambito, le tecnologie più utilizzate sono l’EDM e il laser drilling, sebbene presentino problemi legati all’alterazione termica, che facilita la formazione di bave tanto all’ingresso quanto all’uscita del foro. Un’interessante applicazione riguarda il settore aerospaziale e la creazione dei fori di raffreddamento delle palette delle turbine: l’EDM sembra essere la tecnologia più utilizzata, anche se esistono problematiche dovute alla rifusione del materiale nelle zone che subiscono alterazione termica. La velocità di perforazione EDM è molto bassa in confronto alla tradizionale foratura all’utensile o al laser drilling. Per contro, microfori ottenuti con tecnologia laser hanno scarsa qualità superficiale, causata dalla presenza di uno strato di materiale rifuso e una zona termicamente alterata; nel caso di microforature di parte cave, il processo risulta molto complesso, col rischio di danneggiare la parete posteriore. Le moderne tecniche di laser drilling a impulso, a percussione o trapanazione, hanno permesso di migliorare la qualità superficiale dei componenti lavorati anche se non è ancora possibile trascurare i fenomeni legati alle alterazioni termiche. La classica microforatura per asportazione di truciolo presenta invece problemi dovuti all’oscillazione dell’utensile e alle vibrazioni di lavorazione, che potrebbero essere la causa di errore nel punto di contatto utensile/pezzo. A causa della complessità dell’interazione utensile/pezzo nel momento in cui vengono a contatto, della presenza di oscillazioni e/o vibrazioni, si può avere una scarsa finitura superficiale e una riduzione, anche drastica, della durata dell’utensile. Il problema della rottura prematura dell’utensile è ancora più accentuato nella microforatura di superfici non planari a causa dello slittamento della punta dell’utensile rispetto alla posizione prevista: ciò causa inflessione dell’utensile e una sua probabile rottura. Recentemente sono state messe a punto soluzioni di microforatura ibride che combinano il laser drilling con la tecnologia ad asportazione di truciolo, eseguendole in modo sequenziale. Sono allo studio anche tecnologie ibride che associno EDM e laser drilling in modo da arrivare a una lavorazione più performante. Al momento attuale, le tecnologie ibride sembrano non essere ancora economicamente vantaggiose.

Lascia un commento

Please enter your comment!
Please enter your name here